Inventering av framtidens el- och

värmeproduktionstekniker

Delrapport Småskalig teknik

Elforsk rapport 08:82

Bengt Ridell Grontmij AB December 2008

Inventering av framtidens el- och

värmeproduktionstekniker

Delrapport Småskalig teknik

Elforsk rapport 08:82

Bengt Ridell December 2008

ELFORSK

Förord Fokus för hela projektet avseende inventering av framtidens

produktionstekniker för el- och värmeproduktion har varit framtida möjlig

utveckling av olika produktionstekniker för kraft- och värmeproduktion med

bedömning av prestanda samt när en eventuell implementering och

kommersialisering kan vara möjlig. Att kunna göra en sådan bedömning är av

största vikt för att kunna planera inför kommande förändringar och

investeringar och när dessa kan komma, men också för att kunna sätta in de

FoU-resurser som erfordras.

Projektet har genomförts som olika deluppdrag inom de olika

produktionsområdena med föreliggande rapport avseende delrapport

Småskalig teknik. Bengt Ridell, Grontmij AB, har varit projektledare för

delstudien. Alla övriga delrapporter inom projektet samt en syntesrapport

återfinns för nedladdning på Elforsks hemsida www.elforsk.se.

Projektet har finansierats av AB Fortum Värme samägt med Stockholms stad,

E.ON Värmekraft AB, Jämtkraft AB, Kraftringen Produktion AB, Mälarenergi

AB, Skellefteå Kraft AB, Umeå Energi AB, Vattenfall AB, Öresundskraft AB

samt av Statens Energimyndighet.

Projektet har följts av en styrgrupp bestående av Björn Fredriksson Möller och

Mikael Palmgren E.ON Värmekraft, Sten Grahn Fortum Värme, Anders

Johansson och Svante Söderholm Statens Energimyndighet, Maria Jonsson

och Leif Liinanki Vattenfall Research and Development, Ulf Lindqvist

Jämtkraft, Magnus Stenvall Umeå Energi samt Lars Wrangensten Elforsk.

Elforsk tackar styrgruppen för värdefulla synpunkter och uppslag.

Lars Wrangensten

Elforsk AB

Programområde El- och Värmeproduktion

December 2008

ELFORSK

1. Sammanfattning I Elforskprojektet, Inventering av framtidens produktionstekniker för el och

värmeproduktion, har följande tekniker för småskalig produktion valts ut för

att studeras mer ingående,

Bränsleceller

Solceller

ORC, Organic Rankine Cycle

Vågkraft

Av de fyra utvalda teknikerna är bränsleceller, ORC och solceller lämpliga att

använda för så kallad distributed generation, att användas nära en förbrukare

och eventuellt även för produktion till elnätet. Vågkraft är mer likt vindkraft

till sin karaktär och är förmodligen mer lämpad att användas av kraftbolag för

direkt inmatning till transmissionsnätet.

Ingen av dessa tekniker är idag direkt konkurrenskraftiga mot att köpa el från

det svenska elnätet. Det finns dock möjligheter för alla att genom

massproduktion få ner tillverkningskostnaderna så att de skall kunna bli

konkurrenskraftiga alternativ i framtiden. Det beror till stor del på den

allmänna utvecklingen av elpris, skatter, leveranssäkerhet mm.

1.1 Teknikbeskrivning

Bränslecellens arbetsprincip är en elektrokemisk process där väte förs till en

anod och syre till en katod via ett elektrokemiskt membran produceras el och

värme och restprodukten är vatten.

Vätgasen kan framställas på många olika sätt, t.ex. från förnybara och fossila

bränslen. Biobränslen kan rötas eller förgasas och användas som bränsle.

Idag används ofta naturgas eller metanol. Vätgas kan även enkelt produceras

via elektrolys. Då används elektricitet från till exempel sol, vind eller

vattenkraft. Syrgasen tas med fördel direkt ur luften.

Typiska egenskaper för bränslecellen är

Hög verkningsgrad jämfört med andra tekniker i samma storlek

Bra miljöegenskaper – i princip inga miljöpåverkande emissioner

Bränsleflexibilitet – såväl förnybar energi och bränslen som fossila

bränslen kan användas

Flexibilitet – bränslecellen kan användas för kraftvärme eftersom den

producerar både el och värme

Modularitet – bränslecellen har hög verkningsgrad även i små enheter

och dessa kan byggas samman till större anläggningar

Det finns idag flera olika typer av bränsleceller med något olika egenskaper.

De benämns efter elektrolytens sammansättning. De vanligaste typerna

nämns här nedan,

Lågtemperaturbränsleceller som arbetar vid 80°C – 200°C

PEFC, polymerelektrolyt bränsleceller

ELFORSK

PAFC, fosforsyra bränsleceller

DMFC, direktmetanol bränsleceller

Högtemperaturbränsleceller som arbetar vid 600°C – 1000°C.

SOFC, fastoxid bränsleceller

MCFC, smältkarbonat bränsleceller

I ORC-processen, där ORC står för organisk Rankine-cykel, har ångcykelns

normala arbetsmedium, vatten, ersatts av ett organiskt arbetsmedium.

Genom att man använder ett organiskt medium, med lägre förångnings-

temperatur än vatten, kan ångprocessen arbeta vid lägre temperatur utan att

man riskerar att få fuktig ånga och risk för korrosion och erosion i turbin eller

expander.

ORC-processen bygger på samma komponenter som en vanlig vatten-

ångprocess. Det organiska arbetsmediet förångas in en förångare, får

expandera i en turbin eller skruvexpander, kondenseras i en kondensor och

pumpas tillbaka till förångaren.

I biobränsleeldade ORC-kraftvärmeverk har vattenångcykeln ersatts av en

ORC-cykel. ORC-kretsen drivs av energin i rökgaserna från en biobränsleeldad

ugn. Mellan rökgaserna och ORC-kretsens förångare finns en trycklös

mellankrets i form av en hetoljepanna.

Solceller benämns ofta PV vilket betyder Photovoltaics. Det finns två huvud-

typer av solceller kiselsolceller och tunnfilmsolceller.

En vanlig solcell består av ett halvledarmaterial som är uppdelat i två skikt.

Ett skikt är p-dopat och det andra är n-dopat för att skapa en

potentialskillnad. När solljus träffar solcellen exiteras (frigörs) elektroner och

till följd av potentialskillnaden kommer elektronerna att röra sig mot det

positiva n-skiktet. Med metallkontakter samlas elektronerna upp och ström

kan erhållas i en yttre krets.

Kiselsolcellen är idag den vanligaste och mest utvecklade typen för stationär

elproduktion. Tillförlitligheten är hög och den har en lång livslängd, mer än 25

år. Kostnaderna är dock för höga för att kiselsolceller skall kunna vara

konkurrenskraftiga för produktion till elnätet gentemot konkurrerande

energiomvandlingstekniker.

Tunnfilmssolceller kan delas in i tre huvudgrupper,

Vanliga tunnfilmssolceller exempelvis a-Si (amorft-kisel), CIGS, CdTE,

CIGS

Tandem solceller som täcker breda spektra

Dye/Organic solar cells

De har olika principiell uppbyggnad och funktion.

ELFORSK

Den låga materialåtgången tillsammans med tillverkningsmetoderna gör att

tunnfilmssolceller har stor potential att kunna tillverkas i stor skala till ett lågt

pris.

Vågkraft alstras från vågornas energi som är en förnybar energikälla som

alstras via solenergi. Solen värmer luften vilket orsakar vindar som alstrar

vågrörelser på vattenytor. Av dessa förnybara energiformer sol, vind och

vågenergi är vågenergin den jämnaste. Vågenergin varierar kraftigt över året

och är som störst under hösten.

Vågkraftverk anses i regel vara småskaliga. Men de är knappast så kallad

distribuerad produktion utan mer lika vattenkraft eller vindkraft till sin

karaktär eftersom de måste placeras på ställen där det finns vågor och inte

vid elförbrukarna. De finns planer på att tillverka stora vågkraftverk i multi-

MW, upp till storleksordningen 100 MW planeras, men det är vid placeringar

där dessa speciella förutsättningar finns.

Det finns flera olika metoder att utnyttja vågornas kraft för elproduktion.

Enligt organisationen Wave-Energy finns det mer än 60 st olika tekniker under

utveckling. De flesta har testats som prototypanläggningar.

De olika teknikerna kan delas in i olika huvudområden till exempel,

OWEC, Ocean Wave Energy Converter, Bojkraftverk ex bojar med

linjär bottenförankrad generator

Slack-Mooored Energy converter, upphöjda plattformar med central

turbin

OWC, Oscillating Water Columns, med luftturbin land eller havsbaserad

Kilrännkraftverk

1.2 Kostnadsutveckling och prisbild

Det är svårt att uppskatta kostnadsutvecklingen för dessa småskaliga tekniker

eftersom de kostnader som anges idag är i regel måltal som måste uppnås för

att tekniken skall kunna vara konkurrenskraftig i framtiden.

Den framtida kostnadsutvecklingen för bränsleceller är optimistisk, flera

olika internationella program arbetar intensivt för att minska kostnaderna att

tillverka bränsleceller. I USA drivs av Department of Energy SECA-

programmet som syftar till att ta fram en SOFC-modul i mindre storlek, 5-10

kW. Ett av programmets mål är att kunna tillverka en anläggning för 400

USD/kWe (2 600 SEK/kWe) vid en tillverkningsvolym om 50 000 enheter.

I Japan är ett av målen i det stora programmet för små stationära

bränsleceller att priset för kompletta anläggningar för både el och

värmeproduktion i småhus, inklusive installation, skall var ca 1 MYEN eller 10

000 USD (65 000 SEK) per kWe. Det förutsätter en tillverkningsvolym på

10 000 enheter per år vilket beräknas uppnås före år 2010. Detta pris skall

senare kunna halveras till motsvarande 5 000 USD vid en kommersiell

produktion av 100 000 kraftvärmeenheter per år.

ELFORSK

Priset för en MCFC demonstrationsanläggning på 250 kWe är idag i storleks-

ordningen 4 000 €/kWe (32 000 SEK/kWe). Dessa priser beräknas vid större

volymer om några år komma ner till under 1 000 €/kWe eller cirka 10 000

SEK/kWe.

För bränslecellsstackar avsedda för bilindustrin prognostiseras kostnader ner

mot 50 USD/kW.

Att de prognostiserade kostnaderna varierar kraftig beror på anläggningarnas

storlek, teknikval och användningsområde.

Dagens ORC-moduler är tillverkas i storleksområdet från några 100 kWe till 2

MWe. Investeringen för en komplett ORC-modul på 2 MWe är ca 20 Mkr,

motsvarande en specifik investering på ca 10 000 kr/kWe. För

spillvärmekoppling används normalt mindre moduler. Den specifika

investeringen för en modul på 0,5 MWe är ca 15-25 000 kr/kWe.

Investeringskostnaden för en hel bränslebaserad ORC-anläggning är för en

2 MWe anläggning i storleksordningen 40 000 SEK/kWe.

För solceller är idag kostnaden för att uppföra stationära demonstrations-

anläggningar i Europa ca 5 000 €/kWp eller 50 000 SEK/kWp, kWp betyder

kW peak dvs den effekt som en solcell kan ge vid optimal solinstrålning, i

producerar en solcell ca 900 kWh per installerad kWp och år.

Det är samma pris i Sverige för anläggningar som är optimerade för

elproduktion, en del nya anläggningar har tillkommande höga kostnader för

byggnadsintegrering. Kostnaden för själva solcellsmodulerna är idag i

storleksordningen 30 000 SEK/kWp. Kostnaderna för drift och underhåll av

solcellsanläggningar är i regel mycket låga.

Enligt EU:s visionsrapport för solceller är ett uttalat mål att denna kostnad

skall sänkas till en tiondel, eller 500 € /kWp (4700 SEK/kWp), senast år 2050.

För vågkraft i Elforsk rapporten ”El från nya anläggningar” har följande

kostnadsbilder redovisats.

Uppnådd produktion och således även elproduktionskostnad för vågkraftverk

beror på läget och den på platsen specifika vågeffekten. Den angivna

elproduktionskostnaden från olika leverantörer spänner över ett stort

intervall, från 30 öre/kWh till 1,5-2 kr/kWh.

Dessa uppgifter visar att kostnaden för att producera vågkraft är starkt

beroende av läget och teknikval men det viktigaste att det finns stora

möjligheter för vågkraften att i rätt sammanhang i framtiden vara en

konkurrenskraftig teknik.

Att kostnaden kommer att minska kraftigt från dagens investeringskostnader

som är baserade i de flesta fall på demonstrationsanläggningar för de tekniker

som lyckats med att bli kommersiella är uppenbart.

ELFORSK

1.3 Bedömt FoU behov fram till kommersialisering

Eftersom de småskaliga teknikerna ännu inte är konkurrenskraftiga så behövs

ett omfattande FoU arbete för att minska kostnader och för att öka

effektiviteten. Det måste göras med produktutveckling, i flera fall genom

minskade materialbehov och en effektivare industriell tillverkningsprocess.

För bränslecellerna är det i speciellt livstid, hållbarhet och minskat materiel-

behov. För ORC är det marknadsutveckling och solcellerna teknikutveckling

för tunnfilmsolcellerna och industriell tillverkning. För vågkraft är det teknik-

utveckling. För alla teknikerna är det viktigt att kraftigt minska tillverknings-

kostnaderna. För det krävs bland annat större tillverkningsvolymer

De specifika behoven för varje teknik och pågående FoU-verksamhet finns

beskrivna mer i detalj i rapporten.

1.4 Möjlig utveckling

Det är de olika småskaliga teknikernas egenskaper och marknadsutveckling

för energimarknaden, elpris, bränslepriser, skatter, miljöavgifter,

subventioner som kommer att avgöra hur teknikernas konkurrenskraft

kommer att utvecklas.

De tekniker som inte använder externt bränsle till exempelvis vågkraft och

solceller är till stor delen beroende av fortsatt teknikutveckling och minskade

tillverkningskostnader. Teknikutvecklingen är viktig både för att öka

verkningsgraden och för att minska tillverkningskostnaderna. I princip är båda

dessa faktorer lika viktiga för att få en låg produktionskostnad men

verkningsgraden har i längden större betydelse eftersom investerings-

kostnaden är beroende av ränteläget. Det väsentliga är att produktions-

kostnaden kan konkurrera med elpriset.

Bränsleceller

Hög verkningsgrad

Förnybara bränslen och vätgas

Kompakta tysta anläggningar

Litet platsbehov

Idag demonstrationsfas

2020 förkommersiell fas

100 tals MW installerat globalt i

Sverige enstaka MW

2030 vanlig teknik för

kraftproduktion i Sverige

används främst med

biobaserade bränslen i större

anläggningar

Vågkraft

Fritt bränsle, klimatneutralt

Begränsade lokaliseringar

Underhållskostnader osäkra

Pilottester sker idag, val av

kommersiella tekniker ej klart

2020 demonstrationer vanliga

2030 kommersiella

anläggningar vid havsbaserade

industriella installationer samt

eventuellt i vågkraftparker

ELFORSK

ORC

Mer ekonomiskt idag än

konventionell ångteknik för

biobränsle anläggningar <

2MWe

I vissa fall klimatneutralt

beroende på bränsleval

I dag kommersiellt i länder

med inmatningspriser på

biobränslebaserad el

Ökad användning även

anläggningar i Sverige främst i

spillvärmekoppling

2030 lägre kostnader används

för nya applikationer,

Solceller

Fritt bränsle, klimatneutralt

Lång livstid, litet underhåll

Kräver stora ytor

Idag demonstrationsfas eller

förkommersiell

Kraftiga subventioner idag

2020 kraftigt ökad användning

fortfarande subventionerat

2030 nya tekniker är

kommersiella och väsentligt

billigare

För de tekniker som använder externt bränsle ORC och bränsleceller är

verkningsgraden betydligt viktigare än för de andra. En hög verkningsgrad är

väsentlig fördel vid höjningar av bränslepriser. Vid användning av spillvärme

eller direkt förnybar energi som sol- och vindenergi så verkningsgraden viktig

men investeringskostnaden är den dominerande faktorn.

De fyra olika teknikerna har olika utvecklingsfaser och krav som påverkar

möjligheten till ett större kommersiella genombrott.

Dessa tekniker kommer förmodligen inte alla att få kommersiella genombrott i

Sverige. Småskaliga tekniker kommer inom tidrymden fram till 2030 inte att

kunna konkurrera i stor skala med de storskaliga tekniker som finns i dagens

kraftnät.

I det längre perspektivet kan situationen bli annorlunda. Elnätet kan kanske

minska i betydelse om de småskaliga teknikerna blir billiga pålitliga och lätta

att använda. El kan då produceras lokalt direkt i samband med användarens

behov.

ELFORSK

Innehåll 1.1 Teknikbeskrivning ............................................................................. 5 1.2 Kostnadsutveckling och prisbild .......................................................... 7 1.3 Bedömt FoU behov fram till kommersialisering...................................... 9 1.4 Möjlig utveckling ............................................................................... 9

2 Inledning småskalig produktion 1

3 Stationära bränsleceller 3 3.1 Inledning ......................................................................................... 3 3.2 Teknikbeskrivning ............................................................................. 4 3.3 Nuvarande status och utvecklingsläge ................................................. 6 3.4 Bedömt FoU behov fram till kommersialisering.................................... 10 3.5 Prisbild och kostnadsutveckling ......................................................... 10 3.6 Pågående FoU verksamhet ............................................................... 11 3.7 Möjligt utvecklingsscenario ............................................................... 12

4 ORC Organic Rankine Cycle 14 4.1 Teknikbeskrivning ........................................................................... 14

4.1.1 ORC i biobränsleeldade kraftvärmeverk .................................. 14 4.1.2 Prestanda ........................................................................... 15

4.2 Miljöegenskaper .............................................................................. 15 4.2.1 Möjlighet till klimatneutral produktion .................................... 16

4.3 Kostnader ...................................................................................... 16 4.3.1 Spillvärmekoppling .............................................................. 17 4.3.2 Biobränslekoppling ............................................................... 17 4.3.3 Sammanfattning ekonomi ..................................................... 18

4.4 Potential ........................................................................................ 18 4.4.1 Spillvärme i vatten ............................................................... 18 4.4.2 Spillvärme i avgaser............................................................. 19 4.4.3 Biobränslebaserade ORC-kraftvärmeverk ................................ 19

4.5 Utvecklingsläge ............................................................................... 19 4.6 FoU-behov fram till implementering ................................................... 19 4.7 Pågående FoU-verksamhet ............................................................... 20

4.7.1 Sverige .............................................................................. 20 4.8 Möjligt utvecklingsscenario (ORC) ..................................................... 22

4.8.1 Direktvärmeväxling mot rökgas ............................................. 22 4.8.2 ORC-teknik i fjärrkylakopplingar ............................................ 22

5 Solceller 23 5.1 Inledning ....................................................................................... 23 5.2 Teknikbeskrivning ........................................................................... 23 5.3 Nuvarande status och utvecklingsläge ............................................... 26

5.3.1 Kritiska komponenter ........................................................... 28 5.4 Solceller i Sverige ........................................................................... 28 5.5 Bedömt FoU behov fram till kommersialisering.................................... 30 5.6 Möjligt utvecklingsscenario ............................................................... 32 5.7 Prisbild och kostnadsutveckling för solceller ........................................ 33

6 Vågkraft 36 6.1 Inledning ....................................................................................... 36 6.2 Teknikbeskrivning ........................................................................... 36

6.2.1 Bojkraftverk OWEC .............................................................. 37 6.2.2 OWC Oscillating Water Columns ............................................ 38 6.2.3 Kilrännkraftverk .................................................................. 39

ELFORSK

6.2.4 Slack-Mooored Energy converter Plattform med turbin, Wave Dragon ............................................................................... 40

6.3 Nuvarande status, utvecklingläge och kostnadsbild ............................. 40 6.4 Bedömt FoU behov fram till kommersialisering.................................... 41 6.5 Pågående FoU verksamhet ............................................................... 41 6.6 Möjligt utvecklingsscenario ............................................................... 42

7 Jämförelse småskalig produktion 44 7.1 Kostnadsutveckling och prisbild ........................................................ 44

ELFORSK

1

2 Inledning småskalig produktion

I detta Elforskprojekt, Inventering av framtidens produktionstekniker för el

och värmeproduktion, har följande tekniker för småskalig produktion valts ut

för att studeras mer ingående,

Bränsleceller

Solceller

ORC, Organic Rankine Cycle

Vågkraft

Av dessa tekniker är bränsleceller, ORC och solceller lämpliga att använda för

så kallad distribuerad produktion, att användas nära en förbrukare och

eventuellt även för produktion till elnätet. Vågkraft är mer likt vindkraft till sin

karaktär och är förmodligen mer lämpad att användas av kraftbolag för direkt

inmatning av el till transmissionsnätet.

Det finns naturligtvis flera andra tänkbara småskaliga tekniker, Stirling,

gasmotorer, mikroturbiner, men de omfattas inte av denna studie.

Småskalig elproduktion har idag i Sverige som i de flesta andra industriländer

svårt att vara konkurrenskraftigt gentemot det centrala elnätet. Det beror till

största delen på att de är väsentligt dyrare att använda jämfört med att köpa

el från det allmänna elnätet. Det kan dock inom en snar framtid finnas stora

fördelar med en småskalig lokal teknik, nätkostnaderna undviks, oberoende

av störningar i elnätet och fluktuerande elpriser, leveranssäkerheten ökas

eller säkerställs, miljömässiga fördelar, skatter mm

Elkostnad småskalig teknik

El från nätet Distribuerad

produktion

ElprodElprod

Nät

Skatt

Skatt

ELFORSK

2

Denna bild visar att produktionskostnaderna för småskalig tekniker kan vara

väsentligt högre än vad produktionskostnaderna är för konventionell

baslastteknik och ändå vara konkurrenskraftiga beroende på att nät-

kostnaderna undviks och skatterna blir med stor sannolikhet väsentligt lägre.

Andra utvecklingssteg som kan komma att förändra dagens förutsättningar

kan vara användning av likström i byggnader. Flera småskaliga

produktionstekniker producerar likström som idag oftast omvandlas till

växelström till exempel solceller och bränsleceller. Andra faktorer som kan

komma att påskynda införandet av distribuerad elproduktion kan vara

svårigheter att öka kapaciteten i dagens elnät på grund av höga kostnader,

tillståndsfrågor, miljöfrågor etc.

Genom produktutveckling och industriell masstillverkning så kan kostnaderna

för småskalig teknik i framtiden bli direkt konkurrenskraftiga gentemot det

allmänna elnätet.

ELFORSK

3

3 Stationära bränsleceller

3.1 Inledning

Bränsleceller möjliggör omvandling av ett bränsle till el och värme med hög

verkningsgrad och mycket låga emissioner. Bränslecellen har hög

verkningsgrad även för mindre anläggningar och kan då med fördel användas

för så kallad distribuerad produktion – mindre kraft- eller kraftvärmeverk som

placeras nära kunden. Det kan t.ex. vara på känsliga platser ute i elnätet där

leveranserna är mindre säkra eller hos industrier och kommuner som har

tillgång till ett lämpligt bränsle. Bränsleceller använder i regel vätgas som

bränsle. Vätgasen kan tillverkas på många olika sätt. Reformering av naturgas

är idag det vanligaste sättet men även olika sorters avfall, rötslam och

biomassa kan användas eller vätgas tillverkad med elektrolys med hjälp av

förnybara bränslen såsom sol, vind eller vattenkraft. Bränsleceller har funnits i laboratoriemiljö sedan 1839 då dess funktion

visades av Sir William Grove. Den första egentliga praktiska tillämpningen var

inte förrän rymdprogrammet startade. Då valdes bränslecellen som kraftkälla

därför att den ansågs vara det mest effektiva och kompakta sättet att

producera el, värme och vatten ombord en rymdfarkost. Tekniken med så

kallade alkaliska bränsleceller AFC utvecklades. De är mycket tillförlitliga och

relativt enkla att tillverka. De kräver dock både ren vätgas och rent syre. Det

är inget direkt problem i rymden eftersom allt syre måste tas med ombord

rymdfarkosten. Däremot på jorden så krävs det att luften behandlas, bland

annat måste CO2 tas bort vilket medför ökande kostnader och högre

komplexitet varför den alkaliska bränslecellen inte anses kunna bli

konkurrenskraftig mot andra tekniker.

Stationära bränsleceller har testas i olika demonstrationsanläggningar sedan

tidigt 1980-tal. Då utvecklade UTC i USA och Fuji Electric i Japan fosforsyra

bränsleceller PAFC som kunde använda luft i stället för ren syrgas. Dessa

bränsleceller har demonstrerats i mer än 200 anläggningar i storlekar från 50

kWe upp till 200 kWe. Det kan nämnas att fyra av dessa har använts i

Sverige. Livstiden och degraderingen av prestanda uppfyllde inte helt kraven

för kommersiella anläggningar och försäljningen har avstannat. UTC utvecklar

nu en ny generation som inom kort kommer att lanseras på marknaden

förmodligen under 2009.

Idag koncentreras utveckling en av stationära bränsleceller på antingen

högtemperaturbränsleceller i storlekar från 100 kWe upp till några MWe. De

har väsentligt högre verkningsgrad än konkurrerande tekniker för

elproduktion och de kan använda flera olika typer av förnybara bränslen.

Det andra utvecklingsspåret är små stationära bränsleceller 1 – 10 kWe som

används för kraftvärme i småhus och mindre byggnader. Det utvecklas både

lågtemperatur bränsleceller PEFC och SOFC för dessa ändamål. Ett stort

ELFORSK

4

demonstrationsprogram i Japan har placerat ut ca 3000 små stationära

bränsleceller.

3.2 Teknikbeskrivning

Bränslecellens arbetsprincip är en elektrokemisk process där väte förs till en

anod och syre till en katod. Via ett elektrokemiskt membran produceras el och

värme och restprodukten är vatten.

Vätgasen kan tillverkas på många olika sätt, t.ex. från förnybara och fossila

bränslen. Biobränslen kan rötas eller förgasas och användas som bränsle.

Idag används ofta naturgas eller metanol. Vätgas kan även enkelt produceras

via elektrolys. Då används elektricitet från till exempel sol, vind eller

vattenkraft. Syrgasen tas med fördel direkt ur luften.

Typiska egenskaper för bränslecellen är

Hög verkningsgrad jämfört med andra tekniker i samma storlek

Bra miljöegenskaper – i princip inga miljöpåverkande emissioner

Bilden visar en av 3000 små bränslecellsanläggningar i Japan. Den lilla enheten innehåller bränslecellen och den stora en varmvattenenhet.

ELFORSK

5

Bränsleflexibilitet – såväl förnybar energi, biobränslen som fossila

bränslen kan användas

Flexibilitet – bränslecellen kan användas för kraftvärme eftersom den

producerar både el och värme

Modularitet – bränslecellen har hög verkningsgrad även i små enheter

och dessa kan byggas samman till större anläggningar

Det finns idag flera olika typer av bränsleceller med något olika egenskaper.

De benämns efter elektrolytens sammansättning. De vanligaste typerna

nämns här nedan,

Lågtemperaturbränsleceller som arbetar vid 80°C – 200°C

PEFC, polymerelektrolyt bränsleceller

PAFC, fosforsyra bränsleceller

DMFC, direktmetanol bränsleceller

Högtemperaturbränsleceller som arbetar vid 600°C – 1000°C.

SOFC, fastoxid bränsleceller

MCFC, smältkarbonat bränsleceller

Lågtemperaturbränslecellerna är i regel billigare att tillverka men har

väsentligt lägre verkningsgrad max ca 35 % när högtemperatur-

bränslecellerna kan ha upp till 55 % verkningsgrad och för större

anläggningar i MW-klass sammankopplade med en gasturbin över 60 %.

SOFC och MCFC är väsentligt mindre känsliga för föroreningar jämfört med

PEFC och är därför lämpliga för biogastillämpningar. PEFC kräver mer

avancerad reformering av bränslet, vätgasen får exempelvis endast innehålla

enstaka ppm av CO, för SOFC är CO ett bra bränsle.

PEFC är mest lämpad för små bränsleceller som använder ren vätgas som

bränsle exempelvis som APU (additional power unit). Bilindustrin är också

inriktad på att använda PEFC eftersom de kan göras kompakta, ha kort

starttid eftersom de inte kräver uppvärmning.

Bränsleceller kan användas inom många olika områden.

Transportområdet är det område som kan få mycket stor betydelse vid ett

eventuellt kommersiellt genombrott för bränslecellen som alternativ till

bilmotorn. De flesta stora biltillverkarna har demonstrationsbilar med

bränsleceller. Ett stort hinder för ett snabbt genombrott på marknaden är att

bränslecellerna kräver vätgas som bränsle och det behövs därför en

infrastruktur för vätgas.

För det stationära området används oftast naturgas som bränsle men för

att nå ett större genombrott inom kraftmarknaden krävs andra bränsle. Olika

typer av biobränslen har testas och demonstrerats med gott resultat. Flera

demonstrationsanläggningar i full skala använder rötgas som bränsle. För

anläggningar avsedda för småhus och mindre byggnader är det fortfarande

naturgas som är det dominerande bränslet.

Portabla små bränsleceller är oberoende av fast infrastruktur och används

utanför elnätet som alternativ till batterier eller som batteriladdare. De

ELFORSK

6

använder ofta metanol eller vätgas som bränsle. Dessa bränsleceller har

väsentligt större kapacitet än dagens batterier

Bild European commission vision report Hydrogen and Fuel Cells 2003

Denna bild beskriver olika typer av bränslen och användningsområden för

bränsleceller. Det finns många olika sorters bränsleceller som kan använda

olika sorters bränsle och användas för inom en mängd olika områden.

3.3 Nuvarande status och utvecklingsläge

Forskningen inom bränslecellsområdet är kraftigt ökande och det investeras

globalt ca 2000 MUSD per år för FoU och demonstration inom bränslecells-

området. Bränsleceller är dock fortfarande långt ifrån kommersiella och

konkurrenskraftiga. Utvecklingen har gått snabbt fram och flera olika koncept

kan inom en snar framtid bli framgångsrika. De bränsleceller som först blir

konkurrenskraftiga är de små portabla bränslecellerna som ersätter batterier i

till exempel små datorer, för militära ändamål och andra batteritillämpningar.

Små portabla bränsleceller kan också användas för batteriladdare för

exempelvis mobiltelefoner.

Inom det stationära området har speciellt två olika användningsområden

utvecklats. Något större bränsleceller från ca 100 kWe upptill multi-MW klass

som är placerade nära användaren det kan till exempel vara bryggerier,

sjukhus, industrier, kontor eller hotell. Dessa bränsleceller har hög

verkningsgrad men är och kommer förmodligen att vara relativt dyra i inköp.

Det betyder att anläggningarna bör ha lång drifttid per år. Dessa bränslen

ELFORSK

7

använder med fördel lokalt producerade alternativa bränslen exempelvis

biogas. Naturgas är dock fortfarande det vanligaste bränslet.

De stora fördelarna med att använda bränsleceller för denna typ av

användning är att verkningsgraden är hög jämfört med konkurrerande

tekniker. För användaren är det en möjlighet att säkerställa elleveransen vid

strömavbrott. För en del industrier är det också en möjlighet att på ett

effektivt sätt ta hand om avfall genom rötning av till exempel biologiskt avfall

eller direkt användning av avfallsgaser från en kemisk industri.

Bilden till vänster visar en 1 MWe MCFC (4*250 kWe) som är installerad vid

ett Sheraton hotell i San Diego, Kalifornien, USA och den högra bilden visar

en 300 kWe MCFC installerad vid Kirin bryggeriet i Japan som använder rötat

biologiskt avfall från bryggeriet som bränsle. Det har installerats ca 400

bränsleceller ute på fältet för denna typ av användning.

MCFC tekniken har visat sig vara framgångsrik som demonstrations-

anläggningar. Mer än 35 anläggningar i storlekar från 250 kWe upp till MW-

klass finns i drift. De är många olika typer av användare sjukhus, bryggerier,

militäranläggningar, hotell, kontor m.fl. MCFC används i regel som

kraftvärmeanläggningar, flera använder olika typer av biobränslen som

bränsle. De största tillverkarna är Fuel Cell Energy i USA, MTU i Tyskland,

Ansaldo i Italien och IHI i Japan. Den elektriska verkningsgraden för dessa

system med naturgas är i regel 47 % därtill kommer uttag av värme. För en

hybridanläggning där en gasturbin användes i en bottencykel har

verkningsgraden 56 % uppmätts.

I USA bedrivs forskning och utveckling av SOFC inom det av DOE finansierade

SECA programmet. Huvudsyftet är att är att utveckla kommersiella SOFC

system i storlekar upp till 10 kWe som senast år 2012 vid stora volymer skall

kunna tillverkas för 400 USD/kWe. Ett senare mål är att utveckla SOFC

ELFORSK

8

system i storlekar upp till 100 MWe som skall användas i Future-Gen

kraftverk i USA, se nedanstående Figur. De första leveranserna av enheter

större än 5 MWe beräknas ske kring år 2015. Future-Gen är ett så kallat

clean-coal kraftverk som kommer att ha hög verkningsgrad. Tekniken bygger

på IGCC kolförgasning med en integrerad bränslecell- och gaskombicykel.

Verkningsgraden för ett 300 MWe kraftverk beräknas till 57,4 % (LHV).

Future-Gen projektet har nyligen stoppats och kommer att omarbetas men

utvecklingen av stora SOFC-enheter fortsätter enligt de tidigare planerna.

Den andra typen av stationära bränsleceller som utvecklas målinriktat är små

bränsleceller som används som kraftvärmeanläggningar i småhus och mindre

byggnader. De görs i storlekar från enstaka kWe upptill storleksordningen 25

kWe.

Coal Fueled SOFC

Parasites

STST

GTGTGasif.,

Cleanup, etc.

Steam

IGCC (BGL)

IGFC (BGL)

Power output improved by ~35% over IGCC…

Potential for 10% improvement in CoE

Fuel

523 MW

(LHV) Syngas

221MW Net Power

42.2% LHV Eff

Parasites

GT

SOFCGasif.,

Cleanup, etc.

Steam

Fuel

523 MW

(LHV) Syngas

300MW Net Power

57.4% LHV Eff

ST

Parasites

GTGT

SOFCSOFCGasif.,

Cleanup, etc.

Steam

Fuel

523 MW

(LHV) Syngas

300MW Net Power

57.4% LHV Eff

STST

Based on GE Study

Processen beskriver användning

av SOFC i stor skala. Utvecklingen

av den här typen av bränsleceller

har mycket stor betydelse för

utveckling av mindre enheter

ELFORSK

9

Bild: VVS-Forum April 2008

Det kan vara svårt att med dagens energipriser se vilka drivkrafter som finns

för att installera bränsleceller i småhus eftersom utnyttjningstiden i regel är

relativt kort och laständringarna kan vara stora. Ett sätt att kringgå dessa

problem är att använda sig av så kallade ”virtual utility”. Bränslecellerna är då

installerade i småhus men de kan styras centralt från ett kraftbolag.

I Japan pågår ett större demonstrationsprojekt där det i slutet av innevarande

år kommer att finnas ca 3000 st små 1 kWe stationära bränsleceller i drift i

olika hushåll. Idag är det i huvudsak PEFC lågtemperaturbränsleceller som har

installerats men i Japan kommer i nästa fas även SOFC att användas.

I Europa finns i storleksordningen 100 små stationära bränsleceller i drift i

småhus och mindre byggnader, det är både SOFC och PEFC. De flesta finns i

Tyskland men även Nederländerna, Schweiz, Österrike och Frankrike har ett

antal anläggningar för demonstration. Det är främst tillverkarna Vaillant

(PEFC), Hexis (SOFC), Ceres Power(SOFC) och CFCL (SOFC) som är har större

program.

Ceramic Fuel Cells, CFCL från Australien har beslutat att bygga en större

tillverkningsanläggning i Tyskland med en kapacitet av 10 000-tals

anläggningar per år. De har fått en större beställning från kraftbolaget NOUN

50 000 st 2 kWe SOFC anläggningar som skall levereras under 6 år.

I USA är det till största delen elproduktion som är intressant. Företaget Plug

Power (PEFC) är marknadsledande. De tillverkar idag främst mindre PEFC

anläggningar men håller nu på att utveckla högtemperatur PEFC främst för

användning på den Europeiska marknaden där kraftvärme är ett krav.

Teknikvalet för dessa bränsleceller är under omarbetning. PEFC arbetar vid för

låg temperatur för att kunna ge tillräckligt med värme för att värma husen,

de kräver i regel tillsatseldning. SOFC har väsentligt högre verkningsgrad och

lämpar sig på grund av den högre temperaturen för kraftvärmetillämpningar.

Deras största nackdel är idag problem med snabba laständringar samt långa

uppstartstider.

Idag är det flera företag som utvecklar så kallade HT-PEFC, högtemperatur

PEM, de arbetat vid något högre temperaturer 120ºC – 200ºC. De lämpar sig

ELFORSK

10

bra för kraftvärme och är väsentligt mindre känsliga för föroreningar i

vätgasen jämfört med vanliga PEFC.

3.4 Bedömt FoU behov fram till kommersialisering

Tekniken med stationära bränsleceller har demonstrerats i flera tusen

anläggningar. Det har visat att tekniken fungerar det behövs dock ytterligare

FoU insatser innan bränsleceller är kommersiella och konkurrenskraftiga. Det

gäller främst

Livslängdsfrågor, degradering av prestanda

Lägre tillverkningskostnader genom kompaktare stackar, billigare

material och effektiv industriell tillverkning

Utveckling av kringutrustning speciellt reformers och växelriktare

Utveckling av nya typer av bränsleceller som kan bli billigare och

effektivare än dagens exempelvis HT-PEFC som ännu inte har

demonstrerats ordentligt ute på fältet.

Integrering av bränsleceller med gasturbiner antingen som ersättning

för brännkammare eller i bottencykler

Utveckling av trycksatta högtemperaturstackar

Även en fortsatt utveckling av standards och säkerhetsfrågor behövs

Det kan nämnas att reformera bränslen ombord en bil till exempel metanol,

bensin eller naturgas har visat sig vara så svårt att bidrag till FoU för

ombordreformering har stoppats i USA. Nu är det trycksatt vätgas som är

huvudlinjen som framtida fordonsbränsle för bränslecellsfordon.

3.5 Prisbild och kostnadsutveckling

Den framtida kostnadsutvecklingen för bränsleceller är optimistisk. I USA

finns SECA-programmet som finansieras av Department of Energy, det syftar

till att ta fram en SOFC-modul i mindre storlek, 5-10 kW. Ett av målen är att

nå en kostnad på 400 USD/kWe (2 600 SEK/kWe) vid en tillverkningsvolym

om 50 000 enheter.

I Japan är ett av målen för det stora programmet för små stationära

bränsleceller att priset för kompletta anläggningar, inklusive installation, skall

var ca 1 MYEN eller 10 000 USD (65 000 SEK) per kWe. Det förutsätter en

tillverkningsvolym på 10 000 enheter per år vilket beräknas uppnås före år

2010. Detta pris skall senare kunna halveras till motsvarande 5 000 USD vid

en kommersiell produktion av 100 000 enheter per år.

Idag kostar en MCFC demonstrationsanläggning på 250 kWe i storleks-

ordningen 5 000 €/kWe (47 000 SEK/kWe). Dessa priser beräknas vid större

volymer komma ner till under 1 000 €/kWe eller cirka 10 000 SEK/kWe.

ELFORSK

11

För bränslecellsstackar avsedda för bilindustrin prognostiseras tillverknings

kostnader ner mot 50 USD/kW. Dessa bränsleceller har dock helt andra

prestanda krav än stationära bränsleceller.

Att de prognostiserade kostnaderna varierar kraftig beror på anläggningarnas

storlek, teknikval och användningsområde.

3.6 Pågående FoU verksamhet

Det finns flera skäl till att många länder har stora FoU program för

bränsleceller. Det kan vara för att,

Minska beroendet av importerade fossila bränslen

Bygga upp en exportindustri för att möta en stor internationell

efterfrågan

Militär användning, personlig utrustning, APU i fält

Vara långt framme i forskningsfronten för att kunna påverka och

bedöma teknikutvecklingen och den framtida marknaden

Utnyttja lokalt producerade förnybara bränslen på ett effektivt sätt, ex

rötgasanläggningar

Minska utsläpp av växthusgaser

Förbättra leveranssäkerhet av el, förstärka svaga nät, användning som

APU (additional power units)

Det pågår sedan många år en betydande global FoU verksamhet inom

bränslecellsområdet. De länder som visar störst intresse för bränsleceller är

USA, Kanada, Japan och Tyskland. Europa ligger industriellt något efter

Nordamerika och Japan men är i flera fall ledande inom grundforskning.

Tillverkning av bränsleceller görs i första hand i Nordamerika och Japan med

några få undantag. Utvecklingen sker parallellt inom bilindustrin och för det

stationära området.

Intresset för bränsleceller har på senare år ökat markant även i Sveriges

närområde. Danmark, Finland och Norge har alla kraftigt ökande aktiviteter

och inom området och har redan speciella forskningsprogram eller utbredda

planer för sådana. Exempel på andra länder som nyligen har formaliserat sin

forskningsverksamhet och även i många fall startat samarbetsorganisationer

mellan näringslivet och finansiärer är Storbritannien, Frankrike, Italien och

Österrike.

EU har kraftigt ökat insatserna för forskning, utveckling och demonstrationer

inom området vätgas och bränsleceller. European Commission har initierat en

Hydrogen and Fuel Cells Technology Platform där EU tillsammans med

industrin och forskarvärlden planerar den framtida verksamheten. Under 2008

lanseras ett stort demonstrations- och utvecklingsprogram av European

Commission och en industrigrupp. Programment är 940 M€ och skall pågå

under 6 år. Det är ett så kallat public-private partnership, JTI Joint

Technology Initiative. Det kommer att ersätta forskningsprogrammet inom

det sjunde ramprogrammet.

ELFORSK

12

Det offentliga stödet i olika länder för FoU och demonstration av bränsleceller

och vätgas som energibärare uppskattas år 2008 till,

USA 330 (400) MUSD

Japan 310 MUSD

Tyskland 170 MUSD (135 MEUR)

EU 100 MUSD (67 MEUR)

Danmark 11 MUSD (55 MDKK)

Finland 12 MUSD (8,5 MEUR)

Det totala kapitalet som globalt används för utveckling av bränsleceller

offentligt stöd och privat kapital kan uppskattas till i storleksordningen 2000

MUSD motsvarande 13 miljarder SEK

3.7 Möjligt utvecklingsscenario

Många tillverkare och politiker är mycket positiva till marknaden för

bränsleceller. Det har dock varit ett bränslecellsindustrin stora problem att

tekniken har marknadsförts kraftigt före det att den är kommersiellt

konkurrenskraftig och tillgänglig. Det har lett till en del bakslag när

överoptimistiska prognoser inte har uppfyllts.

Nedanstående tabell visar den bild som har publicerats av EUs Technology

Platform, Implementation panel.

Den bilden är mycket optimistisk för att detta skall vara möjligt så krävs

enligt rapporten investeringar i storleksordningen 7,4 miljarder € under åren

2007 – 2015, motsvarande 70 miljarder SEK.

< 100 €/kW

(for 150.000

units per

year)

2.000 €/kW (Micro)

1.000-1.500 €/kW

(industrial CHP)

500 €/kW1-2 €/ WFC system cost

target

80 kW<100 kW (Micro HP)

>100 kW (industrial

CHP)

10 kW15 WAverage power FC

system

Mass market

roll-out

GrowthEstablishedEstablishedEU Expected 2020

Market Status

1-5 million400,000 to 800,000

(8-16 GWe)

~ 600,000

(~ 6 GWe)

n.a.EU cumulative sales

projections until

2020

0.4 million to

1.8 million

100,000 to 200,000 per

year

(2-4 GWe)

~ 100,000 per year

(~ 1 GWe)

~ 250 millionEU H2/ FC units sold

per year

projection 2020

Road

Transport

Stationary FCs

Combined Heat and

Power (CHP)

Portable Generators

& Early Markets

Portable FCs

for handheld

electronic

devices

< 100 €/kW

(for 150.000

units per

year)

2.000 €/kW (Micro)

1.000-1.500 €/kW

(industrial CHP)

500 €/kW1-2 €/ WFC system cost

target

80 kW<100 kW (Micro HP)

>100 kW (industrial

CHP)

10 kW15 WAverage power FC

system

Mass market

roll-out

GrowthEstablishedEstablishedEU Expected 2020

Market Status

1-5 million400,000 to 800,000

(8-16 GWe)

~ 600,000

(~ 6 GWe)

n.a.EU cumulative sales

projections until

2020

0.4 million to

1.8 million

100,000 to 200,000 per

year

(2-4 GWe)

~ 100,000 per year

(~ 1 GWe)

~ 250 millionEU H2/ FC units sold

per year

projection 2020

Road

Transport

Stationary FCs

Combined Heat and

Power (CHP)

Portable Generators

& Early Markets

Portable FCs

for handheld

electronic

devices

ELFORSK

13

Det är ett tekniskt möjligt scenario men knappast realistiskt. Det är svårt att

se att drivkrafterna skulle bli så starka inom en denna korta tidsrymd. Det

gäller både de stationära bränslecellerna och transportsidan.

En mer realistisk bedömning skulle kunna vara att det år 2020 finns

kommersiella bränsleceller på en något subventionerad marknad förmodligen i

storleksordningen flera 100 MWe globalt. I Sverige finns då uppskattningsvis

ett par MWe installerade som använder biobränslen från rötgasanläggningar

för lokal el- och värmeproduktion.

År 2030 är betydligt längre fram och tills dess kan ett väsentligt större

genombrott på marknaden ha skett. Bränsleceller är då förmodligen en

ganska vanlig produkt med många konkurrerande tillverkare. För svenska

förhållanden finns det förmodligen då även bränsleceller i många byggnader

som back-up exempelvis sjukhus, kontor, stormarknader mm och även i flera

olika typer av industrier. Ett större genombrott på småhusmarknaden i

Sverige är dock svårt att se. I USA utvecklas i programmet SECA Coal Based

Systems stora bränsleceller för användning som komponenter i fullskaliga

kolkraftverk. Dessa bränsleceller kan komma att vara i storleksordningen flera

10-tals MW och om projekten lyckas vara i kommersiell drift kring år 2030.

ELFORSK

14

4 ORC Organic Rankine Cycle

Detta avsnitt om ORC har författats av Barbara Goldschmidt, Grontmij AB

Från att tidigare huvudsakligen ha använts i geotermitillämpningar, har ORC-

tekniken under 2000-talet utvecklats till ett konkurrenskraft alternativ för

elproduktion i mindre biobränsleeldade kraftvärmeverk. Idag finns ett

sjuttiotal biobränslebaserade ORC-kraftvärmeverk i Europa. Anläggningarna

är i storleksområdet 0,5-2 MWe.

4.1 Teknikbeskrivning

I ORC-processen, där ORC står för organisk Rankine-cykel, har ångcykelns

normala arbetsmedium, vatten, ersatts av ett organiskt arbetsmedium.

Genom att man använder ett organiskt medium, med lägre

förångningstemperatur än vatten, kan ångprocessen arbeta vid lägre

temperatur utan att man riskerar att få fuktig ånga och risk för korrosion och

erosion i turbin eller expander.

ORC-processen bygger på samma komponenter som en vanlig

(vatten)ångprocess. Det organiska arbetsmediet förångas i en förångare, får

expandera i en turbin eller skruvexpander, kondenseras i en kondensor och

pumpas tillbaka till förångaren.

4.1.1 ORC i biobränsleeldade kraftvärmeverk

ORC-kretsen drivs av energin i rökgaserna från en biobränsleeldad ugn.

Mellan rökgaserna och ORC-kretsens förångare finns en trycklös mellankrets i

form av en hetoljepanna.

ELFORSK

15

Figur: Biobränsleeldat ORC-kraftvärmeverk med hetoljepanna

4.1.2 Prestanda

Liksom för den vanliga ångprocessen, Rankine-cykeln, beror den teoretiskt

maximala verkningsgraden för ORC-processen på temperaturen, enligt

Carnot-verkningsgraden

Eftersom ORC-processen används i låga temperaturområden, från

spillvärmetemperaturer kring 50-100°C och upp till maximalt 200-300°C, blir

processens verkningsgrad inte lika hög som verkningsgraden för en

konventionell ångprocess som arbetar vid högre temperatur. Verkningsgraden

blir jämförbar med verkningsgraden i en konventionell ångprocess som

arbetar vid samma låga temperaturnivå.

Elverkningsgraden i en ORC-process ligger normalt i området 5-20%,

beroende på valt temperaturområde. I spillvärmekoppling, med spillvatten,

ligger verkningsgraden kring 5-10%, beroende på spillvattentemperatur. I

biobränsleeldade ORC-kraftvärmeverk, som har ett arbetstemperaturområde

upp till 300-320°C, har ORC-kretsen en verkningsgrad på närmare 20%

netto. Elverkningsgraden baserat på insatt biobränsle är ca 16%.

4.2 Miljöegenskaper

Traditionellt har vanliga köldmedier, dvs samma arbetsmedier som i

värmepumpar, använts i ORC-sammanhang. Precis som för värmepumpar,

ELFORSK

16

har man övergått från de först använda CFC-föreningarna, som hade en stark

ozonpåverkan, till mindre ozonpåverkande HCFC-föreningar eller också till

ickehalogenerade kolväten.

I ORC-tillämpningar, där fjärrvärme används som kylmedium, används

ickehalogenerade kolväten, eftersom de halogenerade HCFC-föreningarna har

för låga kokpunkter för att de skall kunna kondenseras.

I de nya biobränsleeldade ORC-anläggningarna, som har byggts i Europa

under senare år, används silikonbaserade arbetsmedier med kokpunkter som

ligger på en lagom nivå för ORC-processens arbetstemperaturområde i dessa

tillämpningar. Silikonoljan har ingen ozonnerbrytande effekt (ODP-värde,

Ozon Depleting Potential = 0). Oljan är inte heller giftig eller explosiv, men

däremot brandfarlig.

ORC-anläggningar monteras normalt som kompletta tättslutande moduler,

precis som värmepumpanläggningar. Liksom värmepumpanläggningarna,

förses de med läckageövervakning.

4.2.1 Möjlighet till klimatneutral produktion

När ORC-tekniken utvecklades på 1960-talet, var det främst för elproduktion

på otillgängliga platser. ORC-tekniken valdes här på grund av sin driftsäkerhet

och robusthet. ORC-anläggningarna drevs med fossila bränslen, som t ex

gasol.

Därefter började ORC-tekniken introduceras i lågtemperaturtillämpningar,

såsom i geotermianläggningar eller i spillvärmekopplingar. Geotermi-

tillämpningarna är i princip helt klimatneutrala. De använder geotermisk

värme som värmekälla. El behövs bara som hjälpkraft för att driva pumpar

och annan kringutrustning.

Spillvärmetillämpningarna har aldrig lyckats slå igenom riktigt, troligen

beroende på att spillvärmen med högst temperaturnivå har utnyttjats på

annat sätt medan den riktigt lågvärdiga spillvärmen har gett för låg

elverkningsgrad för att investering i ORC-teknik skulle vara lönsam.

Klimatneutraliteten hos ORC-tillämpningar i spillvärmekoppling är inte helt lätt

att bedöma, eftersom värderingen av spillvärme i klimattermer inte är helt

enkel. Utnyttjandet av spillvärme för elproduktion med ORC-teknik är snarare

en fråga om resurshushållning än om klimatneutralitet. Frågan om den

utnyttjade spillvärmen härstammar från fossila eller förnybara energikällor är

kanske mindre relevant i sammanhanget. Det relevanta är att outnyttjad

spillvärme tas tillvara, och därigenom bidrar till att minska behovet av andra

energikällor, fossila eller förnybara.

4.3 Kostnader

Dagens ORC-moduler är ofta i storleksområdet från några 100 kWe till 2 MWe.

Investeringen för en komplett ORC-modul på 2 MWe är ca 20 Mkr,

motsvarande en specifik investering på ca 10 000 kr/kWe. För

spillvärmekoppling används normalt mindre moduler. Den specifika

investeringen för en modul på 0,5 MWe är ca 15-25 000 kr/kWe.

ELFORSK

17

Investeringskostnaden för en hel anläggning, inklusive bränslehantering,

biobränsleugn, ORC-modul, ställverk och byggnad, är för en 2 MWe

anläggning i storleksordningen 40 000 SEK/kWe.

4.3.1 Spillvärmekoppling

Om ORC-modulen kopplas in på ett spillvärmenät, beror elproduktions-

kostnaden huvudsakligen på investeringen för ORC-modulen. Dessutom

tillkommer kostnader för värmeväxlare mot spillvärmenätet samt mot

kylvattennät. Ifall ingen frikyla finns tillgänglig, tillkommer kostnader för

kyltorn. Elproduktionskostnaden blir mycket beroende av utnyttjandegraden

under året. Om spillvärme finns tillgänglig hela året, hamnar elproduktions-

kostnaden i området 20-40 öre/kWe1. Om spillvärme bara finns tillgänglig

under en del av året, ökar kostnaden.

I de fall där spillvärmen har ett värde, t ex motsvarande fjärrvärmepriset,

kommer elproduktionskostnaden att öka i motsvarande grad, och hamna på

närmare 35-55 öre/kWhe2.

4.3.2 Biobränslekoppling

Dagens biobränsleeldade anläggningar med ORC-koppling byggs oftast som

kraftvärmeverk, där elproduktionen innebär en minskad fjärrvärme- och/eller

processvärmeproduktion. I de fallen måste hänsyn tas till en förlorad intäkt

för fjärrvärmeförsäljning.

I Österrike och Tyskland, där huvuddelen av de biobränsleeldade ORC-

kraftvärmeverken finns idag, är det dock inte ovanligt att ORC-

anläggningarna körs i kondensdrift, mot kyltorn, när inget fjärrvärmeunderlag

finns tillgängligt. Systemen med inmatningspriser på biobränslebaserad

elproduktion, som gäller i dessa länder, gör att detta betalar sig för befintliga

anläggningar.

I de biobränsleeldade ORC-anläggningarna tas energin till elproduktion i ORC-

kretsen ut från rökgasen, precis som i en vanlig (vatten)ångpanna. Hittills har

ingen anläggning av denna typ byggts med direktvärmeväxling mellan rökgas

och ORC-krets, utan alla anläggningarna har en trycklös mellankrets för

värmeöverföring mellan rökgas och ORC-arbetsmedium. Vid beräkning av

specifik elproduktionskostnad för denna typ av anläggning måste hänsyn

också tas till investeringen för hetoljepannan som används som mellankrets.

Den tillkommande kostnaden för hetoljepannan uppskattas till ca 60% av

kostnaden för ORC-modulen. För en anläggning på 2 MWe ger detta en

specifik investering på 16 000 kr/kWe.

Den specifika elproduktionskostnaden beror på den årliga drifttiden, precis

som vid spillvärmekoppling. Eftersom biobränslebaserad kondensdrift inte är

aktuell i Sverige, kommer ORC-anläggningen bara att vara i drift under

fjärrvärmesäsongen (eller möjligen hela året om anläggningen är till för att

producera processånga). Om anläggningen är i drift ungefär halva året blir

1 Investering 15-25 000 kr/kWe, annuitet 0,1, årsdrifttid 8 000 h 2 Investering 15-25 000 kr/kWe, annuitet 0,1, årsdrifttid 8 000 h, kostnad för minskad intäkt från fjärrvärmeförsäljning 15 öre/kWhe (minskad intäkt under 5000 av 8000

h/år ger 25*(5000/8000)=15)

ELFORSK

18

den specifika elproduktionskostnaden närmare 60 öre/kWhe3 för den större

ORC-modulen på 2 MWe. Mindre ORC-moduler medför en högre kostnad.

4.3.3 Sammanfattning ekonomi

Årlig

drifttid

Specifik

investering

ORC-modulen

Specifik el-

prodkostnad

Inkl förlorad

fjärrvärmeintäkt

Spillvärme

500 kWe

8 000 h 15000 - 25000

kr/kWe

20-40

öre/kWhe

35-55 öre/kWhe

Kraftvärme

2 MWe

5 000 h 16 000 kr/kWe - 60 öre/kWhe

4.4 Potential

För Sverige, som inte har stora geotermitillgångar, är ORC intressant främst i

spillvärmekopplingar och biobränslekopplingar. I ORC-sammanhang

diskuteras oftast spillvärme i form av vatten. Också spillvärme i varma

avgaser, från t ex industriella processer eller motorer, kan dock utnyttjas för

ORC-baserad elproduktion.

4.4.1 Spillvärme i vatten

Den outnyttjade spillvärmepotentialen i Sverige är fortfarande stor, även om

den minskar i takt med att industrin sluter sina processer. Enligt rapporten

”Industriell spillvärme”4 uppskattades den teoretiskt tillgängliga

spillvärmepotentialen i Sverige 2002 till 9,5 TWh/år, vilket motsvarade drygt

två gånger det faktiska spillvärmeutnyttjandet på knappt 4 TWh/år. Eftersom

ofta inte mer än 40% av tillgänglig industriell spillvärme kan utnyttjas på

årsbasis, beroende på begränsat fjärrvärmeunderlag under sommarhalvåret,

och med tanke på att fjärrvärmeunderlaget sällan matchar

spillvärmeunderlaget geografiskt, borde det finnas flera TWh tillgänglig

spillvärme som skulle kunna utnyttjas för elproduktion.

Temperaturen på spillvärmen är avgörande för vilken elverkningsgrad som

kan fås med ORC-teknik. Om man utgår ifrån att spillvärmetemperaturerna

ligger under eller i nivå med fjärrvärmens arbetstemperaturområde, kommer

elverkningsgraden i ORC-koppling troligen inte att ligga över 5%. 5% av ca 5

TWh/år outnyttjad spillvärme motsvarar en elproduktionspotential på 250

GWh/år. Om mer spillvärme används för fjärrvärmeproduktion, kommer

potentialen för ORC-el att minska, eftersom fjärrvärmen är en konkurrent om

den varmaste spillvärmen, som är den spillvärme som ger högst

elverkningsgrad.

Eftersom spillvärmen finns tillgänglig hela året, och eftersom den lämpligast

används i ORC-kopplingar med frikyle- eller kyltornskylning, kommer

utnyttjandetiden också att sträcka sig över hela året. Den producerade elen

kan användas lokalt eller anslutas till elnätet.

3 Specifik investering 16 000 kr/kWe, annuitet 0,1, årsdrifttid 5 000 h, kostnad för minskad intäkt från fjärrvärmeförsäljning 25 öre/kWhe 4 Svensk Fjärrvärme, rapport FVF 02 11 49

ELFORSK

19

4.4.2 Spillvärme i avgaser

Inga uppgifter har funnits tillgängliga på outnyttjad spillvärme i avgaser från

industriella processer. Potentialen bör dock vara betydande. Vid en eventuell

utbyggnad av lokal biobränslebaserad elproduktion med t ex biogas- eller

biodieselmotorer, skulle också utnyttjande av restvärme i avgaserna med

ORC-teknik kunna bli intressant.

Eftersom avgaserna oftast håller en mycket högre temperatur än industriellt

spillvatten, kommer också ORC-elverkningsgraderna att bli högre.

Elverkningsgrader i nivå med elverkningsgraden hos biobränslekopplade

anläggningar, dvs 15-20%, verkar inte orimliga.

Utnyttjandetiden och möjligheten till anslutning till elnät kommer att vara

minst lika bra som för ORC-anläggningar i spillvattenkoppling. Om motorerna

går som baslast med jämn last, kommer också ORC-anläggningarna att ha en

jämn elproduktion hela året.

4.4.3 Biobränslebaserade ORC-kraftvärmeverk

Dessa anläggningar är ett alternativ till mindre biobränsleeldade

kraftvärmeverk med ångpanna och ångturbin. Elverkningsgraden hos ORC-

kraftvärmeverken är jämförbar med elverkningsgraden hos enkla små

ångturbiner som används i mindre biobränsleeldade kraftvärmeverk på 5-10

MWtermiskt. Potentialen för biobränslebaserad ORC är därför jämförbar med

potentialen för mindre biobränsleeldade kraftvärmeverk totalt.

4.5 Utvecklingsläge

Utvecklingen på ORC-området har pågått i perioder. Under oljekrisen på

1970-talet blev ORC-tekniken intressant som ett alternativ för elproduktion ur

jordvärme eller spillvärme, och ett antal anläggningar byggdes. Under 1980-

talet avtog intresset för tekniken och tidigare verksamma leverantörer slutade

satsa vara aktiva på området. En bidragande orsak var att CFC-köldmedierna,

som användes som arbetsmedier i första ORC-anläggningarna, började fasas

ut på grund av sin ozonpåverkan.5

Under 2000-talet har förnyat intresse uppstått för ORC-tekniken i Europa.

Intresset är idag dock främst riktat mot ORC-teknik kopplad till

biobränsleeldade anläggningar. Efter att den första anläggningen, som

byggdes med EU-stöd, togs i drift i Österrike 1999, har ett sjuttiotal

biobränslebaserade ORC-krafvärmeverk tagits i drift i Europa och ytterligare

ett trettiotal håller på att levereras. Anläggningarna är i storleksområdet 0,5-

2 MWe. De flesta anläggningarna finns i Österrike och Tyskland, där det finns

system med inmatningspriser på förnybar elproduktion.

4.6 FoU-behov fram till implementering

ORC-tekniken är idag beprövad både i geotermitillämpningar och i

tillämpningar med biobränsleeldade kraftvärmeverk. ORC i spillvattenkoppling

har inte slagit igenom ännu, trots att just denna tillämpning har diskuterats

5 ”Studie av ORC-tekniken för konvertering av biobränsleeldade hetvattencentraler

tillkraftproduktion”, Värmeforskrapport 507 (1994)

ELFORSK

20

under ett antal år. Skälet är dock inte bristande teknikutveckling, utan dålig

lönsamhet. Vid ändrade ekonomiska förutsättningar, skulle dagens

geotermiska ORC-anläggningar kunna användas i spillvärmekoppling utan

vidare.

4.7 Pågående FoU-verksamhet

På grund av den starka utvecklingen på området biobränsleeldade

kraftvärmeverk i Europa under senare år, finns det idag ett antal europeiska

leverantörer som har referenser på området6.

På ORC-marknaden, som länge dominerades av Ormat som är den ledande

tillverkaren av ORC-anläggningar för geotermitillämpningar och som

fortfarande levererar anläggningar både för geotermi och spillvärme, finns

numera god konkurrens och ett antal alternativa leverantörer. Flera av dessa

åtar sig att leverera rökgaskopplade ORC-anläggningar som totalentreprenad.

Andra fungerar huvudsakligen som underleverantörer av biobränsle-

anläggningar eller hetoljepannor till ORC-anläggningar.

Leverantörer med referenser på biobränsleeldade ORC-anläggningar

Tillverkare av biobränsleugnar Kohlbach Gruppe

Mawera Holzfeuerungsanlagen GmbH

Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH

Tillverkare av hetoljepannor Maxxtec AG

Kohlbach Gruppe

Mawera Holzfeuerungsanlagen GmbH

HTT Energy Systems GmbH

Tillverkare av turbiner och ORC-enheter Turboden S. r. l.

Adoratec GmbH

Dresser-Rand Nadrowski Turbienen GmbH

GMK Gesellschaft für Motoren und Kraftanlagen

AG Kühnle, Kopp & Kausch (Siemens)

Entreprenörer och ingenjörsföretag Bios Bioenergiesysteme

Adoratec GmbH

Aldavia BioEnergy GmbH

GMK ovan har också referenser på ORC-teknik för geotermi och spillvärme.

4.7.1 Sverige

I Sverige finns två aktörer på ORC-området idag.

Opcon satsar på ORC för spillvärmetillämpningar. ORC-anläggningarna

baseras på skruvexpandrar från dotterbolaget SRM (Svenska Rotor Maskiner).

Man har driftsatt en första ORC-modul, kopplad till spillvärme från

kraftvärmeverket i Eskilstuna, under hösten 2007. Dessutom har det nyligen

tecknats ett avtal om att installera en ORC-anläggning på Stora Ensos

massabruk i Skutskär. 7

6 ”ORC för elproduktion i värmeverk”, Värmeforskrapport 1021 (2007) 7 www.opcon.se

ELFORSK

21

Figur: Opcons ORC-modul

Entrans har patent på ett system för ORC-baserad elproduktion i

värmepumpar med fjärrkylaproduktion. Genom att sätta in en skruvexpander

i värmepump/kylmaskinskretsens expansionssteg kan man öka

värmeunderlaget när detta inte räcker till för maximal kylproduktion. När

inget värme- eller kylbehov finns körs värmepumpkretsen baklänges, via en

extrainsatt pump, för att producera el i ORC-expandern.

Också Entrans håller för närvarande på att leverera sitt första ORC-aggregat.8

Figur: Entrans ORC-aggregat

8 www.entrans.se

ELFORSK

22

4.8 Möjligt utvecklingsscenario (ORC)

I takt med att elpriserna stiger, och om styrmedel införs för att främja el från

förnybara energikällor och spillvärme, kommer ORC-tekniken att bli mer

konkurrenskraftig än den är idag. Tekniken är färdigutvecklad för installation i

spillvattentillämpningar, och skulle kunna bidra med flera hundra GWh

spillvattenbaserad el bara i Sverige.

Tekniken med en ORC-anläggning kopplad till rökgas via en hetolje-

mellankrets har hittills huvudsakligen tillämpats på biobränsleeldade

kraftvärmeverk i Europa. I storlekssegmentet upp till 2 MWe är tekniken

ekonomiskt konkurrenskraftig jämfört med dagens konventionella

biobränsleeldade kraftvärmeverk. Vid ett eventuellt framtida främjande av

småskalig biobränslebaserad elproduktion är ORC-tekniken ett klart

alternativ.

Dessutom finns en okänd potential med spillvärme i avgaser från industriella

processer som, tillsammans med avgaser från framtida lokal biobränsle-

baserad elproduktion med t ex biogas- eller biodieselmotorer, skulle kunna

utnyttjas för elproduktion med ORC-teknik.

4.8.1 Direktvärmeväxling mot rökgas

I dagens biobränsleeldade ORC-kraftvärmeverk har man använt beprövad

teknik, med värmeöverföring via hetolja från rökgasen till ORC-kretsen. ORC-

cykelns arbetstemperaturområde begränsas därför av hetoljans stabilitet.

Utvecklingen hittills har begränsat sig till att man har övergått från att

använda traditionella mineraloljor till syntetiska oljor i hetoljepannorna.

Därigenom har hetoljans högsta temperatur kunnat ökas från 300°C till

320°C, och elverkningsgraden i anläggningen har kunnat ökas med någon %-

enhet. Ytterligare någon %-enhets ökning skulle vara möjlig vid

direktvärmeväxling mot rökgasen, genom att verkningsgradsförlusten

förbigås vid värmeöverföringen via hetoljepannan.

4.8.2 ORC-teknik i fjärrkylakopplingar

I Sverige, som har en tradition med central produktion av fjärrvärme, och

numera också fjärrkyla, skulle alternativet med ORC-baserad elproduktion i

värmepumpar med fjärrkylaproduktion, enligt Entrans koncept, eventuellt

kunna bli intressant, förutsatt att utbyggnaden av fjärrkylanät fortsätter.

ELFORSK

23

5 Solceller

5.1 Inledning

Att utnyttja solenergi för uppvärmning har varit självklart långt före

industrialismen men att utnyttja solenergi direkt för att producera el är en

mer avancerad teknik.

Att använda solceller för att använda solinstrålningen för elproduktion är ett

av flera olika sätt att producera elenergi med hjälp av solen. Andra sätt kan

vara termisk sol-el att genom att koncentrera solinstrålningen för att kunna

uppnå så höga temperaturer att värmen kan användas i en ångturbin,

stirlingmotor, en ORC–cykel eller som förvärmning i Rankine-cykler.

I Sverige är tyvärr situationen sådan att när solinstrålningen är som störst så

är elbehovet litet och på vintern när elbehovet är som störst så är

solinstrålningen liten. För att solenergin skall kunna användas i ett storskaligt

sammanhang så krävs därför någon form av långtidslagring av från solen

producerade el. Det kan göras på flera sätt genom ett samspel med till

exempel snabbreglerad vattenkraft eller export till dem som behöver el för

tillfället. För mindre lokala elbehov kan däremot solenergin med fördel

utnyttjas direkt. Att lagra solenergi från dagen till användning under dygnets

mörka timmar kan göras enkelt med vanliga ackumulatorer.

5.2 Teknikbeskrivning

Solceller benämns ofta PV vilket betyder Photovoltaics. Det finns två huvud-

typer av solceller kiselsolceller och tunnfilmsolceller.

En solcell eller en fotovoltaisk cell är en anordning bestående av halvledare

(ofta kisel) som fungerar som dioder. När solljuset träffar solcellen frigörs

elektroner i halvledarmaterialet. En spänning mellan cellens fram- och baksida

driver elektronerna genom en elektrisk krets

ELFORSK

24

Tabellen visar uppnådda verkningsgrader för olika typer av solceller.

Den kristallina kiselsolcellen är idag den vanligaste och mest utvecklade

typen för stationär elproduktion. Tillförlitligheten är hög och den har en lång

livslängd, mer än 25 år. Kostnaderna är dock för höga för att kiselsolceller

skall kunna vara konkurrenskraftiga för produktion till elnätet gentemot

konkurrerande energiomvandlingstekniker.

Tillverkningsprocessen är högt utvecklad men med de idag kraftigt ökande

volymerna så beräknas produktionskostnaden fortsatt minska.

Kiselsolcellerna tillverkas idag i stor utsträckning med avfall från

elektronikindustrin, eftersom solceller tillåter högre föroreningsgrad än

halvledarelektronik. Efterfrågan på elektronikavfall är idag större än

tillgången. Därför byggs idag anläggningar som direkt skall producera kisel

avsett för tillverkning av solceller. Industrin har varit tveksam till detta

beroende på marknadens osäkerhet men nu förefaller det som om att det inte

längre skall vara ett problem. Den minskade tillgången på rent kisel från

elektronikindustrin på grund av den kraftigt ökade efterfrågan från

solcellsindustrin har bidragit till att hålla priserna på solcellsmoduler uppe.

Kiseltekniken har en del viktiga fördelar, råvaran finns tillgänglig i stora

mängder och är relativt ofarlig och kopplingen till microelektronikindustrin gör

att utvecklig av tillverkningsprocessen kommer fortsatt att vara stark.

Verkningsgraden för kommersiella kiselsolceller är upp till 14%. Cell-

temperaturen vid extremt höga temperaturer försämras verkningsgraden.

Kiselsolceller tillverkas både som multi- och monokristallina solceller. Den

främsta skillnaden är utseendet. Monokristallina har något högre

verkningsgrad.

Tunnfilmssolceller kan delas in i tre huvudgrupper,

Vanliga tunnfilmssolceller exempelvis a-Si (amorft-kisel), CIGS, CdTE,

CIGS

ELFORSK

25

Tandem solceller som täcker breda spektra

Dye/Organic solar cells

De har olika principiell uppbyggnad och funktion.

Den låga materialåtgången tillsammans med tillverkningsmetoderna gör att

tunnfilmssolceller har stor potential att i framtiden kunna tillverkas i stor skala

till ett lågt pris.

a-Si, Amorft kisel

Dessa tunnfilmsolceller är mycket tunna, mindre än 1 mm i tjocklek.

Materialåtgången är därför relativt liten. Tunnfilmsolcellerna kan göras i

denna tjocklek eftersom materialen i cellerna har egenskapen att kunna

absorbera ljuset på en mycket kort sträcka, materialet har en hög

absorptionskoefficient. De kan tillverkas i böjliga material och formas efter

underlaget.

Tunnfilmssolceller av amorft kisel är billiga att tillverka och inga sällsynta

ämnen är nödvändiga för att tillverka dem. Verkningsgraden är relativt låg 5-

7% främst beroende på att endast det blåa ljuset kan omvandlas till

elektricitet. Idag består en väsentlig del av världsproduktionen av solceller av

typen amorft kisel. De används främst för konsumentprodukter typ klockor,

miniräknare, kameror etc.

CIS, CIGS, CdTe

Dessa tunnfilmssolceller innehåller flera tunna skikt som appliceras på en

glasskiva med hjälp av t.ex. vakuumförångning, sputtring (katodförstoftning)

eller våtkemiska processer. Tillverkning kan ske snabbt. En hög renhet är

mycket viktig, även små föroreningar påverkar cellens prestanda.

I laboratorieskala har CIGS-celler med verkningsgrader kring 17% uppmätts.

För större moduler är verkningsgraden fortfarande väsentligt lägre, under

10%.

CIS och CIGS celler är uppbyggda av skikt av koppar, indium och för CIGS

även Gallium. Ett tunt skikt av kadmiumsulfid höjer verkningsgraden

märkbart. Indium och selen är relativt sällsynta ämnen i klass med silver. De

mängder som kan komma att krävas för en storskalig solcellsproduktion torde

dock inte vara något problem att producera. Det största problemet är

kadmiumskiktet eftersom kadmium räknas som ett starkt toxiskt material.

Utveckling pågår för att minimera och eventuellt ersätta skiktet av

kadmiumsulfid.

Den sammanlagda tjockleken av de aktiva skikten är i storleksordning 5µm.

Tillsammans med glasskivorna, som skyddar cellen, är solcellen ca 4 mm

tjock.

CdTe, solcellen är uppbyggd av Kadmiumtelleruid som är ett polykristallint

material. Den har idag en verkningsgrad kring 10%, för större moduler

ca.7%, fördelarna med CdTe solcellen är att den är relativt billig att tillverka.

Den stora nackdelen är det inte går att undvika kadmium som en

huvudbeståndsdel.

ELFORSK

26

Användning av kadmium i solceller är en ständig diskussion. Många tycker att

kadmium skall undvikas eftersom det finna andra alternativ och kadmium är

ett högtoxiskt ämne. Andra säger att solceller är ett utmärkt säkert förvar av

kadmium. För att kadmium skall accepteras som material vid storskalig

tillverkning av solceller kommer det förmodligen att krävas välutvecklade

system för återvinning och säker hantering vid tillverkning. Men det är

förmodligen bäst att undvika kadmium så mycket som möjligt eftersom det

finns alternativa tekniker.

Det finns flera andra typer av tunnfilmsolceller utvecklade i laboratoriemiljö.

Ett exempel är Gallium-arsenid solcellen som har ett mycket stort ljusupp-

tagningsområde. Verkningsgrader på 22% har uppmätts. Både Gallium och

Arsenik är dock mycket giftiga vilket väsentligt försvårar en introduktion av

denna typ av solceller i stor skala.

Dye/Organic Solar cells

Graetzelcellen kallas även våt solcell eftersom den innehåller en elektrolyt.

Arbetsprincipen bygger på fotokemiska processer, ljusabsorption och

elektron-excitation i ett färgämne och laddningsseparation i en halvledare på

vilken färgämnet är adsorberat. Denna typ av solcell kallas därför

färgämnessensiterade solceller, på engelska dye sensitised solarcells, och

förkortas DSC. Graetzelcellen omvandlar mer än 90% av det gröna ljuset till

elektricitet. Verkningsgraden är ca.11% i laboratoriemiljö och väsentligt lägre

i större enheter på fältet. Graetzel har väsentligt högre verkningsgrad i

molnigt väder och under vintern jämfört med andra typer av solceller.

Utvecklingen av Graetzelcellen är koncentrerad på tillverkningsmetoder för att

få ner kostnaderna vid storskalig tillverkning samt utveckling av elektrolyt-

material och färgämnen för att på så sätt höja verkningsgraden och samtidigt

undvika stabilitetsproblem.

Ett annat utvecklingsspår är så kallade multi-junction solceller, tunnfilms-

solceller som består av många skikt som tillsammans täcker stora delar av

solspektrat. Dessa solceller kan uppnå extremt höga verkningsgrader,

ca 45 % har uppmätts i labskala. Kostnaderna är mycket höga och idag är

rymdindustrin en viktig målgrupp. Multi-Junction solceller används också i

högkoncentrerande system då solinstrålningen koncentreras till en liten yta

med hjälp av optiska linser.

5.3 Nuvarande status och utvecklingsläge

Solcellsmarknaden idag kan beskrivas som väldigt dynamisk, optimistisk och

subventionerad.

Den globala marknaden är mycket snabbt växande,

Den totala marknaden är mer 100 miljarder SEK per år

Subventionerad marknad i många länder, feed-in tariffer i

storleksordningen 4 SEK/kWh är vanliga

De kraftiga subventioneringarna i Tyskland med feed-in tariffer utan

tak har haft ett enormt genomslag

Bristen på renad kisel lämplig för solcellstillverkning har tillfälligt

dämpat marknaden och försvårat kostnadssänkningar

Nya effektiva billiga tekniker är under utveckling, stora investeringar

görs för att utveckla olika typer av tunnfilmsolceller

ELFORSK

27

Sverige har fortfarande få installationer, bidrag för offentliga

byggnader har ökat antalet installationer markant

Kostnaderna kommer att minskas kraftigt på lång sikt, idag hålls

priserna uppe av subventionssystemen och stor efterfrågan vilket

minskar incitamenten för att reducera kostnaderna

Idag domineras marknaden fortfarande av kristallina kiselsolceller. Under

2005 märktes för första gången en negativ påverkan på priset på grund av

vikande tillgång på rent kisel som utgångsmaterial till kristalltillverkningen.

Flaskhalsen bedöms vara bortbyggd inom 3-4 år efter det att investeringar i

produktion av solar-grade kisel har startats.

I världen är det framförallt fyra länder som utmärker sig när det gäller

installerad effekt; Tyskland, Japan, USA och Spanien. Japan hade länge den

största solcellsmarknad tack vare det omfattande stödsystemet för solcells-

installationer i privata hem. Detta stöd har avvecklats successivt för och togs

bort helt under 2005, vilket har lett till att marknadens tillväxt har avstannat.

Diagrammet ovan visar den starka ökningen av antalet installerade solceller i

Tyskland de senaste åren. Större delen av ökningen är beroende på

subventioner genom så kallade feed-in tariffer. Taket för dessa subventioner

togs bort år 2004. Det är främst i Tyskland som den kraftiga globala

expansionen har skett.

Den snabba utvecklingen av marknaden har fört med sig en lika snabb ut-

ELFORSK

28

veckling av industrin som idag har över 100 000 anställda. De största solcells-

tillverkarna är Sharp i Japan och Q-Cells i Tyskland, följt av japanska Kyocera,

Sanyo och Mitsubishi. Trots att Q-Cells har växt mycket kraftig och därmed

brutit den japanska dominansen i toppen produceras runt 36% av alla solcel-

ler i Japan (920MW av totalt ca 2 500MW under 2006). I Kina finns också en

kraftigt expanderande solcellsindustri.

På systemsidan är en stark trend att använda så kallade byggnadsintegrerade

solceller. Dessa solceller har fler funktioner än elproduktion, t.ex. solskydd

eller en del av takets klimatskal. På så sätt kan kostnaderna fördelas på flera

nyttigheter samtidigt som arkitekturen kan vara tilltalade.

En annan trend är att utveckla lämplig teknik för gigantiska anläggningar som

skall placeras i öknar. Det sker idag i USA, Kina, Mellan Östern och Australien.

Det finns även planer på att uppföra mycket stora anläggningar i Algeriet.

Ett område som tidigare var högprioriterat var att elektrifiera landsbygden i

U-länder. Enstaka lampor kan betyda mycket för utvecklingen i en by. Denna

verksamhet expanderar inte lika starkt längre, främst beroende på de höga

subventionerna för sol-el i vissa industriländer som gör ulandsinvesteringarna

mindre lönsamma.

5.3.1 Kritiska komponenter

Den mest kritiska komponenten är kisel av en kvalité lämplig för

solcellstillverkning, solar grade. Tidigare har denna kisel tagits från kisel som

inte uppnått kvalitén för halvledartillverkning. Nu har solcellsmarkanden växt

så kraftigt att det inte finns tillräckligt mycket att tillgå från

halvledartillverkningen. Det gör att priserna för solceller stigit och

utbyggnaden av tillverkningskapacitet har inte hängt med så leveranstider har

försämrats.

Kisel i sig är ingen bristvara, utan det är tillverkningskapaciteten för

kiselkvaliteter lämpliga för solcellstillverkning som idag är för låg för att

försörja världsmarknaden. Det finns nu flera större kemiföretag som har

planer på att öppna nya tillverkningsanläggningar avsedda främst för

solcellstillverkning. Det finns dock en viss tvekan eftersom hela marknaden är

kraftigt subventionerad och andra icke-kiselbaserade tekniker förmodligen

kommer att expandera kraftigt.

Det kan nämnas att livslängden för solcellsmodulerna är mycket lång,

moduler som är 30 år gamla fungerar i många fall problemfritt. Det är oftast

kringutrustningen som utgör felkällor.

I vissa typer av tunnfilmssolceller används små mängder kadmium. Det är i

jämförelse med andra kadmiumanvändare en mycket liten kvantitet som

behövs, men det stör trots allt solcellernas miljöprofil. Problemet

uppmärksammas allt mer i forskarvärlden och det finns alternativa tekniker

att tillgå.

5.4 Solceller i Sverige

Den sammanlagda mängden solceller som installerats i Sverige uppgick vid

ELFORSK

29

slutet av 2007 till ca 7 MWp, vilket är lågt i jämförelse med de länder som

leder utvecklingen. Mängden nätanslutna anläggningar har dock ökat kraftigt

tack vare stödet till anläggningar på offentliga byggnader.

Forskning och utveckling

Solcellsforskningen i Sverige har främst inriktats på cellteknik, med en större

satsning genom Ångström Solar Center under åren 1996 – 2004 vid Uppsala

universitet. Idag finns det en grupp vid Uppsala universitet som arbetar med

tunnfilmsteknik, och forskningen kring Grätzelsolceller i Sverige bedrivs vid

Uppsala universitet, KTH och Swerea IVF. Dessutom finns det ett antal

grupper som delvis arbetar med solceller,

t.ex. i Linköping, Lund och vid Chalmers. Även om Solibro AB är sålt till

Q-Cells i Tyskland så finns fortfarande Solibro Research AB kvar i Sverige för

utveckling av tunnfilmssolceller.

Svensk solcellsforskning finansieras främst genom Energimyndigheten. Mer

användarnära utvecklingsarbete utförs i Elforsks SolEl program som

samfinansieras av Energimyndigheten och ett antal andra aktörer.

Svensk solcellsindustri

Den tillverkande solcellsindustrin i Sverige har växt mycket kraftigt de

senaste åren, parallellt med den starka utvecklingen på världsmarknaden.

Främst gäller det tillverkning av moduler, d.v.s. montering av importerade

solceller till moduler färdiga för användning. Här återfinns även majoriteten

av de anställda inom solcellsnäringen, 350 av ca 400 stycken. Den stora

merparten av produktionen exporteras, främst till Tyskland och Sydeuropa.

Det finns fem företag som tillverkar moduler i Sverige: GPV, ArcticSolar, REC

ScanModule, PV Enterprise samt n67 Solar. Totalt producerades 55 MWp i

Sverige under 2006, ca 2% av världsproduktionen.

Det finns även två företag i Sverige som arbetar med att kommersialisera

tunnfilmsteknik som baseras på Cu(In,Ga)Se2. Det ena, som tidigare hette

Solibro, är ett spinn-off företag från Uppsala universitet som under 2006

köptes upp av tyska Q-cells. Q-Cells är ett av de ledande företagen in

solcellsområdet i världen. Företaget siktar på produktionsstart i Tyskland

under 2008. Det andra företaget, Midsummer, använder en något annorlunda

teknik och siktar på att starta tillverkning under 2008.

Exempel på solceller i Sverige.

ELFORSK

30

Tunnfilmsolceller på taket till Johanneshovs isstadion, tunnfilmssolceller

valdes främst på grund av de hade väsentligt lägre vikt än kristallina

kiselsolcellsmoduler. Tunnfilmssolcellerna är integrerade i gummimattor som

enkelt rullas ut på taket.

Den vänstra bilden visar semitransparenta solceller som är monterade

solskydd i en korridor på KTH. De solcellerna har då en dubbel funktion de

producerar el och är samtidigt ett solskydd. Den högra bilden är från en skola

i Älvsjö. Den installationen ingår i ett större program med solceller på

skolorna i Älvsjö. Att ha solceller på skolor har flera syften det är både elever,

föräldrar och personal som kommer i kontakt med solcellerna och kan då öka

intresset för solenergi.

5.5 Bedömt FoU behov fram till kommersialisering

Eftersom marknaden redan är mycket stor men kraftigt subventionerad så är

det i visa fall svårt för tillverkarna att prioritera FoU eftersom marknaden

köper allt de kan tillverka till ett bra pris. Detta är dock förmodligen ett

tillfälligt förhållande och verkningsgraderna måste öka och kostnaderna

minskas om marknaden skall kunna överleva på dagens och högre nivåer i en

mer konkurrensutsatt marknad.

En del av utvecklingsbehovet fram till en kommersialisering är,

Utveckling av system för billiga och enkla montage

Byggnadsintegrering av solceller måste utvecklas till att bli mer

kostnadseffektivt.

Verkningsgraderna för olika typer av solceller behöver och kommer att

ökas

Materialbehovet för kristallina solceller måste sänkas eftersom

tillgången på kristallint kisel för solcellstillverkning är en flaskhals

ELFORSK

31

Kostnader för tunnfilmssolcellers måste sänkas kraftigt samtidigt som

verkningsgraden bör öka. Det är kanske den allra viktigaste punkten

för det längre perspektivet.

Metoder och design för Industriell masstillverkning

Lagringsmetoder för sol-el

En stor del av forskningen kring solceller idag är att utveckla tekniken för att

öka verkningsgraden och sänka kostnaderna. Det är viktigt att industriella

tillverkningsmetoder utvecklas så att tillverkningskostnaderna kan minskas.

Detta görs idag för speciellt kristallina solceller.

För tunnfilmstekniken är det viktigt att höja verkningsgraderna samt att

utveckla metoder för masstillverkning. Det finns en potential för

tunnfilmssolceller som tillverkas på tunna substrat typ folier som gör att de

kan komma att masstillverkas till en väsentligt lägre kostnad än dagens.

Tunnfilmssolceller tillverkas redan idag på gummimattor som enkelt kan rullas

ut på till exempel plana tak.

Ett område som studeras speciellt i Sverige är att samtidigt producera el och

värme från solcellsanläggningar. Sverige ligger relativt långt framme inom

detta område med ett företag som har börjat marknadsföra en produkt

avsedd för denna applikation, se www.pvtnytt.se .

Bilden ovan visar att FoU kring olika typer av solceller ökar kraftigt och att vid

forskningsfronten dominerar tunnfilmssolceller. Antalet publicerade artiklar

har mångdubblats de senaste 15 åren samtidigt som antalet olika tekniker har

ELFORSK

32

ökat. Det visar bland annat att teknikvalet för de kommersiella solcellerna

ännu inte är utkristalliserat.

5.6 Möjligt utvecklingsscenario

Nätanslutna solceller I Europa kommer att var kraftigt subventionerade

under lång tid framöver

Billiga tunnfilmssolceller kan komma att ta en betydande

marknadsandel

Marknaden för småhus och avlägsna områden kan bli stor

Kristallina solceller är mycket robusta och kommer att ha säkra

nischmarknader under lång tid framöver.

Användning av solceller utanför elnätet kommer att öka kraftigt

Solcellsfält tveksamt i Sverige, kanske i en längre tidsperiod

I det närmaste skedet kommer verkningsgraderna för de kristallina solcellerna

att ökas, bättre moduler kommer att utvecklas. De blir enklare att montera

och får högre verkningsgrad på grund av mindre randförluster mm.

Det som gör att utvecklingen är svårbedömd är att marknaden har växt

kraftigt och fort. Den globala marknaden är nu i storleksordningen 100

miljarder SEK. Detta har skett till stor del på grund av mycket stora

subventioner för nätansluten sol-el. Den icke nätanslutna marknaden stand-

alone system, små system i avlägsna områden, u-landsmarknaden, fritidshus

mm har växt men i betydligt lugnare takt. Marknaden för icke-nätanslutna

system är idag i princip helt kommersiell och konkurrenskraftig.

Det utvecklingsscenario som kan tänkas komma i det kortare perspektivet

fram till år 2020 är att de kristallina solcellerna fortfarande dominerar och att

många länder fortfarande har kraftiga subventioner för solcellsinstallationer.

Solceller är en förnybar och klimatneutral teknik och kommer därför att

utvecklas. Med minskade kostnader och högre elpriser så kommer denna typ

av tekniker att gynnas. Internationellt så kommer installationerna att öka i

USA och Japan I Europa med EUs nya teknikplattform för solceller och att

liknande subventioner som i Tyskland kommer att införas mer och mer i flera

länder gör att expansionen kommer att fortsätta.

Solcellerna är dock små och dyra vilket gör det svårt att för tekniken att bli en

baslastproduktion av el speciellt i Sverige. Trenden blir förmodligen att

solceller kommer att användas i allt större utsträckningen för dem som har

relativt höga nätkostnader exempelvis fritidshus tillfälliga arbetsplatser där

det är svårt att dra ut kablar etc. Marknaden för nätanslutna solceller

kommer under den närmaste tiden till stor del att styras av olika

subventionsformer.

I det något längre perspektivet fram till år 2030 är bilden ganska osäker. En

möjlighet är att investeringskostnaderna har minskat så kraftigt att

solcellerna kommer att var i det närmaste konkurrenskraftiga i länder med

höga elpriser. Tunnfilmsteknikerna bör vara ganska långt utvecklade och har

väsentligt bidragit till att sänka kostnaderna för solcellsgenererad el. Statusen

för solceller år 2030 beror även till stor del på hur elnäten har utvecklats

ELFORSK

33

transmissionskostnader mm. Det finnas pessimistiska scenarier i Europa för

hur elnäten kan komma att få stora problem med flaskhalsar

investeringsovilja mm. Politikernas vilja och handlingskraft kommer att

avgöra. Att tekniken har möjlighet att utvecklas med låga kostnader och

industriell masstillverkning är nog ganska säkert det gäller bara att

marknadens drivkrafter är tillräckligt stora.

I denna figur visar branschen en prognos med en möjlig utveckling. Enligt det

scenariot så skulle tunnfilmstekniken vara en dominerande år 2030 men de

kristallina solcellerna är fortfarande stora. Diagrammet förutspår väldigt stora

volymer kring år 2030 i storleksordningen 130 GWp per år.

5.7 Prisbild och kostnadsutveckling för solceller

Kostnaderna för att installera solcellssystem idag varierar kraftigt. I Sverige

ligger priserna för solcellsanläggningar som hittills beviljats stöd inom ramen

för det så kallade OFFROT programmet för energiåtgärder i offentliga

byggnader generellt på 50 000 SEK/kWp och uppåt. Kostnaden inkluderar allt

som behövs för att anläggningen skall kunna tas i drift.

Större stationära demonstrationsanläggningar i Europa uppvisar i regel

kostnader i samma storleksordning, dvs ca 5 000 €/kWp. Enligt EU:s

visionsrapport för solceller är ett uttalat mål att denna kostnad skall sänkas

till en tiondel, eller 500 € /kWp (4700 SEK/kWp), senast år 2050.

Kostnaden för själva solcellsmodulerna är idag i storleksordningen 30 000

SEK/kWp. Kostnaderna för drift och underhåll av solcellsanläggningar är i

regel mycket låga.

ELFORSK

34

Solceller har idag en etablerad nisch inom elproduktion på platser där det är

för dyrt att ansluta sig till elnätet. I dagsläget är dock solcellstekniken för dyr

för konventionell kraftproduktion.

Kostnadsreduktionen för solcellssystem är ca 4 procent årligen. Med denna

reduktionstakt är tidshorisonten fortfarande mer än 30 år innan solcells-

system är konkurrenskraftiga gentemot etablerade typer av kraftproduktion.

I nedanstående figur visas en prognos över prisutvecklingen för solceller. Den

förutsätter att volymerna ökar kraftigt. Det kan vara osäkert eftersom dagens

kraftiga ökningstakt helt bygger på stora subventioner.

Kostnadsreduktion för solcellsmoduler, historik och prognoser. Källa: RWE Schott Solar genom ”Statusrapport 2005 om teknik- och marknadsutvecklingen på solcellsområdet”

ELFORSK

35

Referenser

1. Olle Nyström mfl, Grontmij AB, El från nya anläggningar, Elforsk, 2008

2. Ulf Malm, Uppsala Universitet; Solceller i Sverige och världen 2007,

IEA PVPS

3. Energibanken information, www.energibanken.se

4. Lars Stolt, Solibro AB, Statusrapport teknikutveckling solcellsområdet

PV-SEC 2005,

5. Bengt Ridell, Sydkraft Konsult, Sydkraft-Vision 2050, 2000

6. Mats Rydehell, Kanenergi, Maria Hall m.fl. , Statens Energimyndighet,

Solceller, Teknik, marknad och svensk forskning, 2007

7. www.solcell.nu

8. www.iea-pvps.org

ELFORSK

36

6 Vågkraft

6.1 Inledning

Idéerna att utnyttja vågenergi för kraftproduktion är gamla de första kända

konstruktionerna är från slutet av 1700-talet. Flera projekt startades runt om

i världen i oljekrisens spår på 70-talet. De flesta av dessa lades ner under

början av 80-talet. Tekniken att utnyttja vågornas energi för kraftproduktion

är helt mekanisk och förnybar energi jämförbar med vattenkraft och

vindkraft.

6.2 Teknikbeskrivning

Att utnyttja vågornas kraft för elproduktion är ett av flera olika sätt att

producera elenergi med hjälp av havet. Andra metoder kan vara att utnyttja

saltgradienter, temperaturskillnader, havsströmmar och tidvatten.

Vågkraft från vågenergi är en förnybar energikälla som alstras via solenergi.

Solen värmer luften vilket orsakar vindar som alstrar vågrörelser på

vattenytor. Av dessa förnybara energiformer sol, vind och vågenergi är

vågenergin den jämnaste. Vågenergin varierar kraftigt över året och är som

störst under hösten.

Det bästa tillgången på vågenergi är ute i de stora världshaven bra område är

t.ex. Nordatlanten och Nordsjön. I vårt närområde är de bästa platserna för

att utnyttja vågenergi utanför Norges västkust, Bohuslän och vissa områden i

södra Östersjön

Vågkraften har en stor effektpotential jämfört med andra intermittenta

förnybara energikällor.

- 120 kW/m vågfront i de stora oceanerna,

- Storbritannien 80 kW/m,

- Norges västkust 20-40 kW/m,

- Sverige (på västkusten och

utanför Blekinge) 10-25 kW/m.

Trots relativt ”dåliga” vågor längs Sveriges kuster har potentialen uppskattats

till 10 TWh/år.

Effekten är ungefär dubbelt så stor på höst och vinter jämfört med

sommaren. En yta på 4 km2 utanför Irlands kust kan ha en effekt på 120

MWe. Motsvarande yta vid kusten skulle för vindkraftverk ha en effekt på ca

20 MWe.

De stora kraftfulla vågorna finns ute i oceanerna speciellt i Nordatlanten

utanför Storbritannien och vid Australiens sydkust. För att utnyttja kraften i

dessa vågor krävs mycket kraftiga anläggningar men då kan också ganska

betydande mängder el produceras. En annan stor potential för vågkraft finns i

väsentligt lugnare vatten där stora mängder mindre vågkraftverk kan

placeras.

ELFORSK

37

Vågkraftverk anses i regel vara småskaliga. Men de är knappast så kallad

distribuerad produktion utan mer lika vattenkraft eftersom de måste placeras

på ställen där det finns vågor och inte vid elförbrukarna. De finns planer på

att tillverka stora vågkraftverk i multi-MW, upp till storleksordningen 100 MW

planeras, men det är vid placeringar där dessa speciella förutsättningar

finns.

Det finns flera olika metoder att utnyttja vågornas kraft för elproduktion.

Enligt organisationen Wave-Energy finns det mer än 60 st olika tekniker under

utveckling. De flesta har testats som prototypanläggningar.

De olika teknikerna kan delas in i olika huvudområden till exempel,

OWEC, Ocean Wave Energy Converter, Bojkraftverk ex bojar med

linjär bottenförankrad generator

Slack-Mooored Energy converter, upphöjda plattformar med central

turbin

OWC, Oscillating Water Columns, med luftturbin land eller havsbaserad

Kilrännkraftverk

Det finns flera olika tekniker för att utnyttja vågenergi för kraftproduktion.

Dock finns ännu ingen entydig information om vilka typer av tekniker som kan

nå kommersiell status i större skala. Sannolikt kommer tekniken snarare att

behöva anpassas efter lokala förhållanden, dvs. det bör finnas utrymme för

flera varianter. Vilken typ av kraftverk som väljs beror till stor del på

förhållanden vid platsen samt naturligtvis kostnader och teknikstatus mm.

6.2.1 Bojkraftverk OWEC

Oavsett typ brukar bojar inordnas under beteckningen OWEC (Ocean Wave

Energy Converter). En eller flera bojar kopplas samman till en gemensam

generator, som i sin tur kopplas till större system. Flera varianter finns. En av

dem är den vid Uppsala universitet och av Mats Leijon utvecklade typen där

vågrörelsen överförs till en linjärgenerator förankrad på botten. En anläggning

som totalt kommer att omfatta 10 bojar med en total effekt på 100 kWe

uppförs utanför Lysekil. Energimyndigheten, Vattenfall och andra elbolag

investerar 50 MSEK.

En annan tidigare utvecklad variant är den likaledes svenska IPS-bojen där

bojens rörelse överförs via en stång till en slangpump eller kolvpump som

kombineras med en Peltonturbin. Andra liknande konstruktioner är den

danska DWP-principen där bojens rörelser via en lina överförs till en

konstruktion som sitter fast i botten där en kolvkonstruktion via hydraulik

drar vatten fram och tillbaka förbi en turbinkonstruktion.

ELFORSK

38

6.2.2 OWC Oscillating Water Columns

Principen för OWC, Oscillating Water Columns bygger på att vattnet

från vågorna pressas in under vattenytan i ett stående rör. Då

vattnet i röret stiger pressas luften i vattenpelaren ut genom en

luftturbin som genererar el. Luftturbinen kan arbeta i båda riktningar

så att energin generas både på utblås- och insugsfas. Denna typ av

kraftverk byggs i regel nära kusten så att de kan förankras fast på

botten eller vid helt enkelt på land i kustlinjen.

Denna typ av arbetsprincip används för de kommersiella lysbojar som finns

idag. Dessa har typiskt en effekt på 60 W.

Bilden visar principen

för ett mindre flytande

OWC kraftverk.

Park av bojkraft enligt skiss från Uppsala Universitet

ELFORSK

39

SPERBOYTM ett OWC kraftverk med luftturbiner som testas utanför Englands

västkust.

Företaget räknar med att i de förhållande som finns i Nordsjön och

Nordatlanten skall en fullskaleanläggning, ca 50m hög och 30m diameter,

kunna ha en medeleffekt på 450 kWe.

Ett landbaserat OWC kraftverk arbetar enligt nedanstående princip

d.

6.2.3 Kilrännkraftverk

Kilrännkraftverk har framförallt utvecklats i Norge av Norwave A/S. Principen

är att vågorna leds in i en så kallad kilränna i t.ex. en bergsformation vid

kusten. Kilrännan leder vattnet upp till en artificiell damm/sjö för att sedan

släppas tillbaka till havet via en vattenturbin. Kilrännkraftverk har hög

Det landbaserade OWC kraftverket Wavegen

LIMPET 0,5 MW power plant installerad på ön Islay i

Scotland

ELFORSK

40

verkningsgrad och är driftsäkra. Det största problemet är att det är svårt att

finna lämpliga platser. Ett av de större norska kilrännkraftverken finns utanför

Bergen i Toftestallen. Det har en effekt på 350 kWe. Ett annat större

kilrännkraftverk har uppförts av norska företag på Java i Indonesien med en

effekt på ca 1,5 MWe.

6.2.4 Slack-Mooored Energy converter Plattform med turbin, Wave Dragon

Det danska företaget Wave Dragon Har utvecklat ett robust vågkraftverk som

är avsett att användas i hav med stora vågor.

Vågorna och vattnet leds via ”fångstarmar” upp över en ramp och in i en

flytande löst förtöjd bassäng varifrån vattnet leds till en Kaplan-turbin.

Anläggningen konstrueras för 1-4 m fallhöjd varvid ca 10-12 % av vågenergin

kan utnyttjas. Flera enheter kan kopplas samman till en ”park”. För

närvarande uppförs i en demonstrationsfas en vågkraftspark av denna typ

utanför Wales kust. Uppfångningsområdet blir 300 m och 16 turbiner och

generatorer på vardera 440 kW ger effekten 7 MW. Investeringskostanden

uppges till 230 MSEK, dvs ca 33 000 kr/kW. I kommande etapper avser man

bygga ut till 70 MW.

6.3 Nuvarande status, utvecklingläge och kostnadsbild

Vågkraft har fått ett kraftigt ökat intresse tekniken befinner sig under

utveckling och val av lämplig teknik är fortfarande mycket osäkert. Trenden

idag är att flera olika tekniker utvecklas parallellt. De olika teknikerna kan

vara optimala under olika förutsättningar det kan vara skillnader i tillgänglig

vågenergi, våghöjd, havsdjup, närhet till användare etc som avgör val av

teknik. Det finns vissa likheter med vindkraftens tidiga utveckling då flera

olika tekniker testades och demonstrerades.

Sedan 1991 har EU lämnat bidrag för utveckling av vågenergi

och uppförande av demonstrationsanläggningar.

ELFORSK

41

För Wave-Dragon 7 MWe kraftverket anges investeringskostanden till

230 MSEK, dvs ca 33 000 kr/kW. I kommande etapper avser man bygga ut till

70 MW. Då kommer priset per kW att minska kraftigt.

Uppnådd produktion och således även elproduktionskostnad för vågkraftverk

beror på läget och den på platsen specifika vågeffekten. Den uppgivna

elproduktionskostnaden spänner över ett stort intervall, från 30 öre/kWh till

1,5-2 kr/kWh.

6.4 Bedömt FoU behov fram till kommersialisering

Det återstår mycket utveckling innan vågkraften slår igenom som

kommersiellt accepterad elproduktionsteknik i större skala. Även om

anläggningarna är baserade på konventionell och robust teknik, vilket bl.a.

uttrycks som en ledstjärna för Wave Dragon: ”The basic idea of the Wave

Dragon wave energy converter is to use well-known and well-proven

principles from traditional hydropower plants in an offshore floating platform”,

så kan vägen vara lång.

Erfarenheterna från havsbaserad vindkraft kan visa vägen. Tidigare

erfarenhet från vågkraftverk placerade där vågenergin är stor har visat att de

stora krafter som uppstår vid extrema stormar är svåra att bemästra

Till exempel det utanför Skottland sjunkna Osprey-verket ett havsförankraft

OWC-kraftverk som sjönk i större storm Nordatlanten. Kvaerner Energi har

liknande erfarenhet från en demonstrationsanläggning av OWC-typ vid Norges

västkust som fungerade bra men tyvärr slogs sönder under en kraftig storm.

Utgående från dessa erfarenheter går det inte att peka på någon specifik

kritisk komponent. Allt måste sannolikt dimensioneras baserat på ”off-shore”-

teknik t.ex. utgående från den standard som krävs vid oljeutvinning till havs

och havsbaserad vindkraft.

De största problemen som måste lösas är i dag kostnader och livstid. De

flesta demonstrationsanläggningarna har haft väsentligt kortare livstid än

förväntat. De har havererat under kraftiga stormar. När väl bra fungerande

tekniker har utvecklats så kan med stor sannolikhet även kostnaderna

minskas genom förfinad produktutveckling och effektiv industriell produktion.

6.5 Pågående FoU verksamhet

Det finns flera internationella organisationer som arbetar med FoU och

information om vågenergi

IEA Ocean Energy Systems, www.iea-oceans.org . detta så kallade

Implementing Agreement har 26 medlemsländer, vilket är högt för

IEA. Representanter för Sverige är Energimyndigheten och Uppsala

universitet.

European Ocean Energy Association, www.eu-oea.com finansieras

till stor del av EU och är en organisation som skall samla intresset för

havsbaserad kraftproduktion i Europa. Det skall vara ett nätverk och

en gemensam plattform som skall planera finansiering, forskning,

ELFORSK

42

standards, lagar kunskapsspridning mm. Workshops och andra typer

av möten planeras löpande.

Coordinated Action on Ocean Energy, EU-finansierat nätverk, se

www.ca-oe.org

CA-OE består av 41 europeiska företag eller organisationer samt

ytterligare ett 30-tal associerade medlemsföretag. Från Sverige

deltager Uppsala universitet. Koordinator för nätverket är Ramböll,

Danmark. Syftet är i första hand att sprida kunskap om vågkraft och

annan havsbaserad energi, att planera forskning och demonstrations-

projekt.

Wave Energy Centre, en organisation baserad i Portugal som har

som avsikt att samla kunskap om tekniken och skapa internationella

samarbeten.

The Ocean Renewable Energy Coalition (OREC) är en national

trade association för förnybar marin energi I USA. OREC bildades I

april 2005 och har idag mer än 40 medlemsföretag, se

www.oceanrenewable.com

6.6 Möjligt utvecklingsscenario

Vågkraft är en helt förnybar energiform. Vågenergin är helt fri. De rörliga

kostnaderna är likartade som vattenkraft och vindkraft. Kostnaderna för

vågkraften är till största delen investeringskostnaden. Ett visst underhåll

kommer också att behövas med en erfarenhet och produktutveckling borde

underhållskostnaderna kunna minimeras.

Problemen med vågkraft är även dessa likartade. Det kan bli svårt att få

tillstånd att bygga kraftverken vid lämpliga lokaler. Det är med hänsyn till

natur och miljö och fartygsleder och annan båttrafik. Långsiktigt torde

vågkraften vara mycket miljövänlig eftersom de ganska enkelt kan vid behov

monteras ner och naturen kan på så sätt återställas.

Vågkraften har en stor energipotential och kan förmodligen även till viss del

användas för effekthöjning i nät på grund av den Det kommer med stor

sannolikhet att byggas vågkraftverk på många olika typer av platser,

exempel,

Avlägsna kustområden till exempel öar där det idag är dieselkraftverk

som är den dominerande kraftkällan. En nackdel är att det krävs

någon form energilagring eller back-up eftersom vågkraften inte är

kontinuerlig och kan variera kraftigt vid olika årstider.

Kustnära områden som inte är intressanta för sjöfart

I samband med offshoreverksamhet, plattformar, vindkraftparker

För fiskenergi till fiskodlingar

Elektrifiering av fyrar och andra havsbaserade elbehov

År 2020 kommer vågkraft att demonstreras i många olika utförande på flera

platser. Internationellt kommer det att finnas flera större anläggningar i

multi-MW klass en del i samband med havsbaserade vindkraftsanläggningar

och vid fasta offshore anläggningar. I Sverige kommer det att finnas flera

mindre anläggningar i drift med olika tekniker. Tekniken kommer inte att vara

fullt ut kommersialiserad.

ELFORSK

43

Eventuellt kommer det att finnas konkurrenskraftiga installationer utanför det

stora elnätet, vid öar, fyrar, lysbojar och andra flytande installationer.

År 2030 vid denna tid har det förmodligen utvecklats ett antal tekniker som

är helt kommersiella och konkurrenskraftiga i likhet med vindkraft och

vattenkraft. Driftssäkerheten är stabil, lång livslängd och minimalt underhåll.

Vågkraften kommer att finnas vid de ställen som mest lämpliga med bra

effektpotential, ej störande för sjöfart och möjlighet att mata in på elnätet.

Referenser

1. Olle Nyström mfl, Grontmij AB, El från nya anläggningar, Elforsk, 2008

2. Ridell, Bengt, Carl Bro Energi, Sydkraft Vision2050, Vågenergi 2000

internrapport

3. www.nyteknik.se, flera artiklar:

2008-03-06, 2007-12-19, 2006-03-22,

ELFORSK

44

7 Jämförelse småskalig produktion

De tekniker som beskrivits här har alla olika egenskaper och olika

förutsättningar för att kunna få ett kommersiellt genombrott i Sverige och i

övriga världen. De kan få betydelse på olika energimarknader beroende på

utveckling av energipriser och möjliga teknikgenombrott.

De viktigaste faktorerna för att en småskalig teknik skall kunna bli ett viktigt

val för en elkund,

Investeringskostnaden

Verkningsgrad

Livslängd

Platsbehov

Aktuella kostnader för att köpa el dvs el-, nät- och skattekostnader

Vikten av oberoende från nätet

Miljöfaktor

7.1 Kostnadsutveckling och prisbild

Det är svårt att uppskatta kostnadsutvecklingen för dessa småskaliga tekniker

eftersom de kostnader som anges idag är i regel måltal som måste uppnås för

att tekniken skall kunna vara konkurrenskraftig i framtiden.

Den framtida kostnadsbilden för bränsleceller är optimistisk I USA drivs av

Department of Energy SECA-programmet som syftar till att ta fram en SOFC-

modul i mindre storlek, 5-10 kW. Ett av målen är att nå en kostnad på 400

USD/kWe (2 600 SEK/kWe) vid en tillverkningsvolym om 50 000 enheter.

I Japan är ett av målen i det stora programmet för små stationära

bränsleceller att priset för kompletta anläggningar, inklusive installation, skall

var ca 1 MYEN eller 10 000 USD (65 000 SEK) per kWe. Det förutsätter en

tillverkningsvolym på 10 000 enheter per år vilket beräknas uppnås före år

2010. Detta pris skall senare kunna halveras till motsvarande 5 000 USD vid

en kommersiell produktion av 100 000 enheter per år.

Idag kostar en MCFC demonstrationsanläggning på 250 kWe i storleks-

ordningen 5 000 €/kWe (47 000 SEK/kWe). Dessa priser beräknas vid större

volymer komma ner till under 1 000 €/kWe eller cirka 10 000 SEK/kWe.

För bränslecellsstackar avsedda för bilindustrin prognostiseras kostnader ner

mot 50 USD/kW.

Dagens ORC-moduler är ofta i storleksområdet från några 100 kWe till 2 MWe.

Investeringen för en komplett ORC-modul på 2 MWe är ca 20 Mkr,

motsvarande en specifik investering på ca 10 000 kr/kWe. För

ELFORSK

45

spillvärmekoppling används normalt mindre moduler. Den specifika

investeringen för en modul på 0,5 MWe är ca 15-25 000 kr/kWe.

Investeringskostnaden för en hel bränslebaserad ORC-anläggning är för en

2 MWe anläggning i storleksordningen 40 000 SEK/kWe.

För solceller är idag kostnaden för att uppföra stationära demonstrations-

anläggningar i Europa ca 5 000 €/kWp eller 50 000 SEK/KWe. Det är samma

pris i Sverige för anläggningar som är optimerade elproduktion. Kostnaden för

själva solcellsmodulerna är idag i storleksordningen 30 000 SEK/kWp.

Kostnaderna för drift och underhåll av solcellsanläggningar är i regel mycket

låga.

Enligt EU:s visionsrapport för solceller är ett uttalat mål att denna kostnad

skall sänkas till en tiondel, eller 500 € /kWp (4700 SEK/kWp), senast år 2050.

För vågkraft i Elforsk rapporten ”El från nya anläggningar” har följande

kostnadsbilder redovisats.

Uppnådd produktion och således även elproduktionskostnad för vågkraftverk

beror på läget och den på platsen specifika vågeffekten. Uppgiven

elproduktionskostnad från olika leverantörer spänner över ett stort intervall,

från 30 öre/kWh till 1,5-2 kr/kWh.

Dessa uppgifter visar att kostnaden för att producera vågkraft är starkt

beroende av läget och teknikval men det viktigaste är att det finns stora

möjligheter för vågkraften att i framtiden vara ett konkurrenskraftigt i rätt

sammanhang.

Att kostnaden kommer att minska kraftigt för småskalig produktion från

dagens investeringskostnader som är baserade i de flesta fall på

demonstrationsanläggningar är uppenbart för de tekniker som lyckats med att

bli kommersiella.

De är de olika småskaliga teknikernas egenskaper och marknadsutveckling för

energimarknaden, elpris, bränslepriser, skatter, miljöavgifter, subventione-

ringar som kommer att avgöra hur teknikernas konkurrenskraft kommer att

utvecklas.

De tekniker som inte använder externt bränsle till exempelvis vågkraft och

solceller är till största delen beroende av teknikutveckling och låga

tillverkningskostnader. Teknikutvecklingen är viktig både för att öka

verkningsgraden och för att minska tillverkningskostnaderna. I princip är båda

dessa faktorer lika viktiga för att få en låg produktionskostnad men

verkningsgraden har i längden större betydelse eftersom kostnaden för

investeringen är beroende av ränteläget. Det väsentliga är att

produktionskostnaden kan konkurrera med kostnaderna för att köpa el.

För de tekniker som använder externt bränsle ORC och bränsleceller är

verkningsgraden betydligt viktigare än för de andra. En hög verkningsgrad är

väsentlig fördel vid höjningar av bränslepriser. Vid användning av spillvärme

eller direkt förnybar energi som sol- och vindenergi så är i första hand

investeringskostnaden är den dominerande faktorn.

ELFORSK

46

Bränsleceller

Hög verkningsgrad

Förnybara bränslen och vätgas

Kompakta tysta anläggningar

Litet platsbehov

Idag demonstrationsfas

2020 förkommersiell fas

100 tals MW installerat globalt i

Sverige enstaka MW

2030 vanlig teknik för

kraftproduktion i Sverige

används främst med

biobaserade bränslen i större

anläggningar

Vågkraft

Fritt bränsle, klimatneutralt

Begränsade lokaliseringar

Underhållskostnader osökra

Pilottester sker idag, val av

kommersiella tekniker ej klart

2020 demonstrationer vanliga

2030 kommersiella

anläggningar vid havsbaserade

industriella installationer samt

eventuellt i vågkraftparker

ORC

Ekonomiskt idag för biobränsle

anläggningar < 2MWe

I vissa fall klimatneutralt

beroende på bränsleval

I dag en förkommersiell

demonstrationsfas

2020 kraftigt ökad användning

även anläggningar i Sverige

2030 lägre kostnader används

för nya applikationer,

kommersiell teknik

Solceller

Fritt bränsle, klimatneutralt

Lång livstid, llitet underhåll

Kräver stora ytor

Idag demonstrationsfas,

förkommersiell

Kraftiga subventioner idag

2020 kraftigt ökad användning

fortfarande subventionerat

2030 nya tekniker är

kommersiella och väsentligt

billigare

De fyra olika teknikerna har olika utvecklingsfaser och krav som påverkar

deras möjlighet till ett större kommersiella genombrott.

Dessa tekniker kommer förmodligen inte alla att få kommersiella genombrott i

Sverige. Småskaliga tekniker kommer inom tidrymden fram till 2030 inte att

kunna konkurrera i stor skala med de storskaliga tekniker som finns i dagens

kraftnät.

I det längre perspektivet kan situationen bli annorlunda. Elnätet kan kanske

minska i betydelse om de småskalliga blir billiga pålitliga och lätta att

använda. El kan då produceras lokalt direkt i samband med användarens

behov.